ВЛИЯНИЕ ТЕМПЕРАТРЫ, ДАВЛЕНИЯ И ВЛАЖНОСТИ АТМОСФЕРНОГО ВОЗДУХА НА ПАРАМЕТРЫ И ХАРАКТЕРИСТИКИ АВИАЦИОННЫХ ГТД

Состояние атмосферы характеризуется температурой, давлением и влажностью воздуха. На параметры атмосферы влияют высота полета, географическая широта местности, времена года и время суток, различные метеорологические явления. Наиболее значительные отклонения состояния атмосферы от МСА характерны для малых высот – от 0 до 5 км. У земли (на уровне моря) температура t_н может изменяться от –60°С до +60°С, а давление р_н – примерно от 85 кПа до 105 кПа (от640 до 790 мм рт. ст.). Влажность воздуха зависит от времени года, климатического района, атмосферных условий, высоты и других факторов.

Влияние изменения давления р_н и температуры Т_н на характеристики ГТД было рассмотрено на примере турбовальных двигателей, где пересчет характеристик на различные атмосферные условия является обязательным и выполняется заранее. Однако и для двигателей других типов это влияние оказывается столь же значительным и требует учета в конкретных условиях эксплуатации силовых установок.

Влияние температуры и давления атмосферы на основные данные двигателя – его тягу (мощность), удельный расход топлива, параметры рабочего процесса, запас газодинамической устойчивости, теплонапряженность деталей горячей части тракта и пр. – зависит от программы управления двигателя и предусмотренных в САУ эксплуатационных ограничений.

Рассмотрим физические причины влияния давления и температуры атмосферного воздуха ы на характеристики ГТД при заданных условиях полета (М_н=const) при n = const и = const.

Влияние изменения давления р_н отличается той особенностью, что, если М_Н и Т_Н не изменяются, приведенные частоты вращения роторов при n = const также остаются постоянными, т.е. сохраняется подобие режимов работы силовой установки. Это означает постоянство всех относительных параметров газового потока и КПД элементов силовой установки. Следовательно, изменение атмосферного давления р_н приводит только к пропорциональному изменению давлений газового потока во всех сечениях проточной части двигателя. Температуры же газового потока в указанных сечениях не изменяются. В таком случае расход воздуха и тяга двигателя (как мы уже знаем) изменяются пропорционально давлению р_н, а удельный расход топлива сохраняется неизменным.

Изменение температуры Т_н (или t_н по шкале Цельсия) при М_н=const (и p_H = const) приводит к изменению температуры на входе в двигатель. При этом изменяются приведенные частоты вращения роторов. Это вызывает изменение режима работы двигателя и всех его параметров. Например, уменьшение n_НД.пр вследствие увеличения температуры приводит к снижению и q(l_в), уменьшению параметров цикла p и D, а также значений G_в и Р_уд. Тяга двигателя при этом уменьшается, а удельный расход топлива возрастает.

На рис. 47.2 показано влияние температуры воздуха t_н на скоростные характеристики ТРДДФсм при на режимах «М» и «ПФ» для двигателя РД-33, рассчитанные с учетом его конкретной программы управления. Здесь и отношение тяги двигателя на максимальном режиме и на режиме «ПФ» к тяге на максимальном режиме при . Как видно, степень снижения тяги и возрастания С_уд c ростом Т_Н являются весьма значительными и усиливаются с увеличением М_н.

Рис. 47.2

Влажность воздуха в метеослужбе принято оценивать по величине его относительной влажности,

j = р_п/р_п.нас, (47.1)

где - парциальное давление водяного пара в возду хе при данной температуре t_H ;

р_п.нас – парциальное давление насыщенных водяных паров при той же температуре.

Относительная влажность в метеосводках выражается в процентах.

Для оценки влияния влажности воздуха на па данные двигателя более удобным является понятие влагосодержания d , которое принято определять как количество граммов (или килограммов) водяного пара, приходящихся на 1 кг сухого воздуха в их влажной смеси.

Рис. 47.3

Зависимость d от t_н для разных значений j приведена на рис. 47.3. Как видно, влагосодержания повышается с увеличением не только j, но и t_н. Зимой, а также на больших и средних высотах, когда t_н < 0°C, величина d при любых значениях близка к нулю и поэтому влажность практически не влияет на работу и характеристики двигателя. Но на малых высотах полета в жаркую погоду в районах с влажным климатом (в тропиках, субтропиках, в океане) когда j = 0,8...1,0, величина d, как видно из рис. 47.3, достигает (при t_н=40...50°С) значений 0,05...0,08 кг пара на кг сухого воздуха. В этих условиях влияние влажности на работу двигателя становится существенным и должно учитываться.

Влажность d влияет на физические свойства влажного воздуха: газовую постоянную R, плотность r_н, теплоемкость и , соответственно, показатель адиабаты. Водяной пар имеет более высокую газовую постоянную (R_п.нас=462 Дж/(кг×К)), чем сухой воздух (R=287 Дж/(кг×К)), меньший показатель адиабаты k и примерно вдвое большую теплоемкость. При увеличении d от 0 до 0,05 газовая постоянная влажного воздуха возрастает на ~3%, а показатель адиабаты снижается на ~0,5%. Практически в такой же степени изменяются свойства продуктов сгорания.

Увеличение газовой постоянной R влажного воздуха вызывает повышение скорости звука (a= ) и, вследствие этого, снижает числа М, с которыми обтекаются лопатки компрессора при данном значении частоты вращения ротора. По этой причине снижаются числа М_u и значения n_пр, причем

n_пр.вл = n_пр.сух .

Это приводит к уменьшению и вызывает снижение удельной тяги (удельной мощности) двигателя. Одновременно уменьшается расход воздуха через двигатель, как вследствие падения плотности r_н, так и снижения q(l_в). Снижение P_уд (или N_e.yд) и G_в приводит к уменьшению тяги (мощности) двигателя.

Возрастание теплоемкости воздуха на входе в камеру сгорания с ростом влажности ведет к повышению количества теплоты Q=с_п( – ), необходимой для получения заданного значения температуры . Увеличение Q, наряду со снижением Р_уд, приводит к повышению удельного расхода топлива.

Снижение концентрации кислорода во влажном воздухе (из-за наличия паров воды), а также уменьшение коэффициента избытка воздуха a= из-за увеличения потребного значения Q, отрицательно сказывается на надежности запуска двигателя и устойчивости процесса горения.

Увеличение влажности воздуха d от 0 до 0,05 кг/кг приводит к снижению тяги ГТД в среднем на 3…4% и к увеличению удельного расхода топлива на 4…5%.

Дождевые капли по-иному влияет на характеристики двигателя, чем влажность. Попадая в двигатель, капли воды испаряются, что ведет к уменьшению температуры и увеличению степени повышения давления сжимаемого в компрессоре воздуха. Увеличивается также расход воздуха. Это приводит не к снижению, а к некоторому увеличению тяги двигателя.