Регулирование геометрии проточной части двигателя

В связи с тем, что уровень параметров двигателя и характер их изменения в процессе запуска зависит не только от расхода топлива, но и от G_B; согласование геометрических параметров узлов двигателя влияет на его пусковые свойства: регулирование направляющих аппаратов – при значительно отклонении положения НА от «0» до «-» (I_СТ=-25⁰ II_СТ=-20⁰) время запуска возрастает примерно на 6 сек при одновременном увеличении DК_КУ, а характер изменения Т_Г* не меняется.

Влияние перепуска воздуха

Открытие перепуска воздуха приводит к значительному изменению характеристик компрессора:

- повышается КПД и характеристики сдвигаются в сторону увеличения G_B и p_K*.

- влечет за собой повышение Р_К, что приводит к росту G_T, дозируемого пропорционально G_B, а это влечет за собой более раннее снижение запасов DК_УК.

- уровень Т_Г* снижается за счет больших значений G_B.

- продолжительность запуска изменяется мало.

Необходимое расположение линии совместных режимов достигается путем перепуска воздуха за компрессором, в результате чего обеспечивается оптимальный уровень КПД и более быстрое возрастание степени расширения газов в турбине при умеренном уровне температуры.

При управлении только перепуском воздуха устойчивость работы компрессора во всем диапазоне запуска обеспечить затруднительно, поэтому целесообразно перепуск использовать на начальном этапе запуска и сочетать его с поворотом НА на последующих этапах.

Влияние изменения (регулирования) площади сопловых аппаратов (СА)

В ТРДД регулирование площади СА позволило бы перераспределить работу между турбинами КНД и КВД с целью обеспечения необходимого качества процесса запуска. Из уравнения неразрывности G_{Г Т.К.}= G_ГТ.В. следует:

p_{Т.К. т.к.}* =F_CAТ.В.x q(l_CAТ.В.)/ F_CAТ.К.x q(l_CAТ.К.)_, где

l_Т.К.*- безразмерная удельная работа (отнесенная к энтальпии газа)

q(l_CAТ.В.), q(l_CAТ.К.) – безразмерная плотность тока в СА.

Раскрытие F_CAТ.В. увеличивает теплоперепад на турбине компрессора, что повышает темп приемистости, однако приводит к падению p_Т.В.*, снижению располагаемой работы турбины вентилятора, увеличению скольжения роторов из-за снижения темпа нарастания оборотов вентилятора, что приводит к снижению запасов DК_У компрессора. В принципе раскрытие САт.в. только на режиме вступления в работу АП позволило бы сократить время запуска на 4% при существенно меньшем снижении запасов DК_УК. (2, 5 вместо 4%) из-за меньшего изменения скольжения роторов в процессе запуска.

Однако создание регулируемых СА представляет значительные трудности.

Влияние регулирования II контура вентилятора путем изменения

двухконтурности двигателя в процессе его запуска

Прикрытие входа во второй контур увеличивает давление за вентилятором, ведет к возрастанию суммарной p_К.*двигателя. Однако, увеличение Gт в этом случае не ведет к возрастанию Тг* т.к. возрастает G_В через внутренний контур, что вызывает прирост избыточной мощности турбины, а некоторое снижение p_К.* повышает DК_УК.

Степень и характер влияния изменения степени духконтурности двигателя на параметры запуска зависят от момента начала прикрытия входа в наружный контур и величины этого прикрытия. Установлено, что начало прикрытия должно соответствовать относительным оборотам вентилятора равным 0, 03…0, 04, а величина определяется допустимым снижением DК_УВ. При изменении площади второго контура продолжительность запуска сокращается примерно на 6% с повышением Δ Ку к min на 10%, а DК_УВ снижается.

Влияние уровня КПД элементов двигателя

КПД в процессе эксплуатации из-за износов лопаток, изменения зазоров, коррозии и др. может заметно измениться, что скажется на пусковых характеристиках двигателя:

- снижение КПД турбины приводит к снижению ее мощности и к увеличению времени запуска то же и для КПД компрессора из-за возрастания потребной мощности подводимой к компрессору при данном значении оборотов для получения тех же значений p_К*, G_В, Тк, а если подводимая мощность не измениться, то параметры компрессора уменьшаются, что приводит к уменьшению мощности турбины и снижению ускорения ротора.

Влияние условий эксплуатации

Основные влияющие факторы: температура, влажность наружного воздуха, давление. Их влияние проявляется из-за изменения G_В и его теплофизических свойств, а также в изменении мощности ПУ.

Высота расположения аэродрома при наземной настройке системы управления турбокомпрессором из-за снижения G_В с ростом Н идет интенсивный рост Тг в процессе запуска. Характер зависимости времени запуска от Н объясняется тем, что с ростом Н до 0, 5…1км при постоянном Gт на режиме МГ возрастает частота вращения МГ; для больших высот рост оборотов МГ замедляется из-за изменения углов установки НАк.

При Н > 2, 5…3 км ухудшение пусковых свойств двигателя и снижение мощности ПУ приводят к увеличению времени запуска. Дозирование топлива при изменении Н из условия поддержания Тг* соответствующей земным условиям Тг*=idem (H) позволяет несколько повысить запасы DК_У однако время запуска также возрастает. При отрицательных Тн на запуске DК_УК снижается из-за дополнительного температурного поджатия. Увеличении времени запуска наблюдается как при повышении Тн так и при снижении Тн из-за увеличивающегося теплообмена газа с деталями проточной части.

Влияние влажности воздуха проявляется через изменение теплофизических свойств воздуха: удельной теплоемкости Ср, энтальпии i, показателя адиабаты К и универсальной газовой постоянной R. Значения К для влажного и сухого воздуха отличаются более чем на 1%, но основное влияние проявляется через изменение R и однозначно связанной с ней теплоемкостью Ср =(К/К+1)R. Количество пара, приходящегося на 1кг сухого воздуха:

а_П =0, 622YPнас/(Рн - Рнас) (кг пара/кг сухого возд.)

Y- относительная влажность

Рнас- давление насыщенного пара

Рн- атмосферное давление

Газовая постоянная смеси водяного пара и сухого воздуха:

R_ВЛ= (1- а_П)R_СУХ + а_П R_ВОДЫ

Учет влияния влажности на характеристики компрессора сводится к уточнению приведенной частоты вращения ротора:

n_ПР.ЭКВ=n = n_ПР.ИСХ

n_ПР.ЭКВ – эквивалентная привед. частота вращения ротора с учетом влажности

n_ПР.ИСХ – приведенная частота вращения ротора без учета влажности

R =R_ВЛ/R_СУХ

С ростом влажности увеличивается R а n_ПР снижаются, что объясняется возрастанием скорости звука во влажном воздухе и снижение числа М потока воздуха, обтекающего лопатки компрессора. Т.О. характеристики компрессора изменяются в сторону смещения напорных ветвей к меньшим значениям p_К* и G_В при неизменных границах ГДУ и максимальных значениях КПД.

На характеристики КС влажность воздуха влияет, изменяя энтальпию воздуха, что следует учитывать в уравнении теплового баланса. Влагосодержание уменьшает концентрацию кислорода в воздухе, а следовательно уменьшает фактический коэффициент избытка воздуха, что может привести к снижению полноты сгорания и стать причиной невоспламенения или погасания пламени в КС.

Влажность приводит к росту температуры и особенно существенно при повышении Тн. Прирост Тг может достичь 15…20⁰.

Продолжительность запуска при влажном воздухе увеличивается примерно на 4%, увеличивается длительность превышения температуры, с ростом Н.

Влияние теплового состояния двигателя на его пусковые

характеристики

Различие определяется разницей в распределении тепловых потоков в холодном и горячем двигателе на режиме запуска. Отвод части теплоты на нагрев деталей двигателя при большом перепаде температур между горячим газом и холодными элементами конструкции приводит к существенному примерно на 7% снижению мощности турбины; в 1, 2…1, 3 раза отличаются запасы ГДУ. После окончания запуска стационарный тепловой режим устанавливается через несколько минут (4…5), в соответствии с этим изменяются и зазоры в элементах конструкции. Достижение максимальной величины зазора в турбине турбокомпрессора (на 20…30сек запуска) приводит к снижению КПД турбины примерно на 3…5%. Существенное уменьшение суммарного зазора происходит только через 1…1, 5 мин. После окончания запуска. Тепловые потоки, теряемые на нагрев двигателя на различных этапах его запуска, составляют 5…25% от общих. Величина потерь, связанных с нагревом элементов двигателя тем больше, чем выше темп раскрутки ротора. Интенсивный теплообмен между горячим газом и холодными деталями увеличивает время запуска примерно на 20% за счет более низких Тг для поддержания заданной частоты вращения турбокомпрессора требуется в интервале времени до окончания процесса запуска увеличить примерно на 5% расход топлива.

Запуск газотурбинных двигателей в полете

В ряде случаев двигатель может оказаться выключенным в полете. Возникает задача его повторного запуска за короткое время, чтобы самолет(в особенности одномоторный) смог продолжать устойчивый безопасный полет без существенной потери высоты.

В отличие от стартовых условий, в полете роторы выключенных газотурбинных двигателей (ТРД и ТРДД) под действием скоростного напора набегающего потока воздуха вращаются. Это так называемые режимы авторотации двигателя. Авторотация – одна из разновидностей установившихся режимов двигателя – характеризуется отсутствием подогрева газа в камере сгорания, т.е. условием Т_Г*= Т_К*.В отличие от режима работающего турбореактивного двигателя, который в полете определяется двумя параметрами – числом М_П и приведенным расходом топлива (или величиной n_ПР), режим авторотации ТРД (или ТРДД) при

G_{Т ПР.}=0 определяется только М_П. Это означает, что все характерные параметры ТРД (приведенная частота вращения n_ПР, степень повышения давления в компрессоре, приведенная скорость на входе в камеру сгорания и т.д.) будут зависеть от М_П. Сказанное справедливо в области умеренных высот полета, где число Рейнольдса не влияет заметно на характеристики элементов двигателя, а затрачиваемая на привод агрегатов и трение мощность относительно невелика и не влияет на зависимость n_ПР=f(М_П)

Максимальная приведенная частота вращения при авторотации в этом случае составляет 50…70% от максимальной расчетной частоты вращения ротора двигателя.

Таким образом, частоты вращения при авторотации ТРД достаточно велики, и предварительно раскручивать ротор для запуска двигателя в полете требуется лишь при низких скоростях полета.

При запуске в стартовых условиях у земли обычно нетрудно произвести воспламенение топлива в камере сгорания. В полете условия воспламенения топлива в камере существенно усложняются. Из теории камер сгорания ТРД известно, что пределы устойчивого горения по возможным отношениям расходов воздуха и топлива (a) сужаются при увеличении объемного расхода воздуха, при снижении его температуры и, особенно, давления. Все эти отрицательные факторы проявляются при запуске ГТД в полете на больших высотах.

Пределы воспламенения по составу топливовоздушной смеси сильно сужаются с увеличением высоты полета, что предъявляет жесткие требования к точности дозирования топлива при запуске.

Рис. 7

Пределы воспламенения топливовоздушной смеси при запуске ГТД в зависимости от скорости и высоты полета.

При очень больших скоростях и высотах полета запуск двигателя становится невозможным. Поэтому в ряде случаев для повторного запуска двигателя необходимо снижать скорость и высоту полета самолета. Максимальная высота запуска может быть существенно увеличена применением специальных высокоэффективных воспламенителей в камерах сгорания.

Рассматривая процесс самостоятельной раскрутки двигателя после воспламенения топлива до полетного малого газа, надо учитывать, что в высотных условиях повышение температуры в ряде случаев приходится ограничивать из-за опасности срыва пламени в камере сгорания в результате переобогащения топливовоздушной смеси. Конечная частота вращения при высотном запуске n _М.Г. зависит о т скорости и высоты полета.

С подъемом на большую высоту частота вращения на режиме малого газа сильно возрастает, а частота вращения на режиме авторотации при М_П =const от высоты зависит мало, в результате чего диапазон изменения частоты вращения при запуске растет. Время запуска на больших высотах увеличивается еще потому, что уменьшается плотность атмосферного воздуха, а вследствие этого - избыточный крутящий момент турбины.

Из сказанного выше следует, что повторный запуск ГТД на низких и средних высотах не связан с особыми затруднениями, запуск же ГТД на больших высотах представляет сложную проблему.