Лекция 4

Процессы дросселирования и встречной приемистости

Для проведения встречной приемистости не требуется увеличенных по сравнению с процессом обычной приемистости запасов ГДУ. В эксплуатации процессу встречной приемистости может предшествовать помпажный режим, который обычно сопровождается падением частоты вращения на 30…40% и для выхода из этого режима расход топлива в двигатель резко снижается. Следовательно двигатель перед встречной приемистостью находится в нерасчетных условиях:

частота вращения не соответствует Gт. Кроме того из-за несоответствия положения органов механизации компрессора полученному режиму, расположение линии рабочих режимов и границ устойчивой работы могут быть отличными от расчетных. В этом случае, если встречная приемистость будет выполняться по законам дозирования топлива автоматом приемистости, время процесса встречной приемистости может быть необоснованно увеличено из-за плохого использо-вания располагаемых запасов по газодинамической устойчивости.

Влияние процессов приемистости на малоцикловую

повреждаемость узлов двигателя

Максимально интенсивная программа подачи топлива Gт =f (n) при приемистости лежит в диапазоне от n_{max до} n_min и ограничения значениями Тг допустимой из условия прочности элементов горячей части двигателя, а также границей устойчивой работы компрессора. Использование допустимых избытков топлива определяет минимально возможное время приемистости. Т.е. запасами ГДУ, жаропрочностью лопаток турбины и эффективностью системы охлаждения турбины. Запас устойчивости используемый в процессе приемистости:

DКур =DКупр. DКурр = , где

DКурр – запас устойчивости, обусловленный величиной Тг на рабочих установившихся режимах

Тг*_МАКС – температура перед турбиной на макс. установившемся режиме

Тг*п – максимальная температура в переходном процессе

Тг*рр – температура на установившемся режиме (по ЛРР)

Обычно допускается кратковременное превышение Тг на режиме приемистости на 2…20% выше Тг на макс. режиме при длительной работе. Для обоснованного назначения допустимых превышений Тг, а следовательно и обоснованного назначения времени приемистости необходимо учитывать влияние этого времени на ресурс элементов горячей части турбокомпрессора.

Увеличение производной изменения Тг в процессе приемистости при сокращении времени приемистости способствует увеличению неравномерности температурного поля рабочей лопатки турбины и связанных с ней термических напряжений. Возникающие при этом циклические упругопластичные деформации, частота которых определяется числом запуска двигателя и числом резких изменений режима его работы при большой длительности эксплуатации, приводят к разрушению рабочей лопатки за счет малоцикловой усталости.

Циклическая долговечность рабочих лопаток турбины непосредственно влияет на ресурс двигателя. Сокращение времени приемистости приводит к увеличению неравномерности температурного поля, размаха деформаций и уменьшению числа циклов до разрушения.

Комплексный подход к назначению времени приемистости

При назначении времени приемистости необходимо учитывать:

- сокращение времени - увеличивает маневренные свойства ЛА, но сокращает ресурс двигателя (например, разгон).

Влияние нестационарного теплообмена на приемистость ГТД

При сильном изменении режима работы двигателя в процессе приемистости между газом и металлом узлов возникают сильные тепловые потоки. Так как суммарная теплоемкость газа намного меньше суммарной теплоемкости металла, инерционность изменения температуры газа и металла значительно различаются. Так, если в процессе приемистости температура газа изменяется за 5…10 секунд, то прогрев элементов конструкции двигателя может длиться несколько минут.

Величина тепловых потоков определяется начальным уровнем температур металлических узлов. Поэтому могут быть выделены два типа процессов приемистости:

1. перевод двигателя с режима МГ на МАКСИМАЛ когда начальный уровень температур элементов конструкции двигателя соответствует режиму МГ (ХОЛОДНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ).

2. перевод двигателя на МАКСИМАЛ после дросселирования с максимального режима и кратковременного выдерживания на МГ

(ГОРЯЧИЙ ДВИГАТЕЛЬ).

В ситуации «горячий двигатель» температуры элементов конструкции на МГ мало отличаются от их температур на МАКСИМАЛЕ. Для «холодного двигателя» статическая линия приближается к характеристике АП и может даже ее пересекать, что приводит к ЗАВИСАНИЮ двигателя и потере его управляемости.

Запасы устойчивости независимы от теплового состояния металла. Избыточная мощность в процессе приемистости «холодного» двигателя меньше, чем «горячего» и потому время приемистости «холодного» значительно больше

(до 2-х раз), чем горячего. Эти различия возникают из-за:

1.-различных по величине зазоров между ротором и статором турбины

2.- использования различных долей энергии газа на прогрев металла конструкций узлов.

Расход топлива на приемистости у «холодного» двигателя выше, чем у «горячего». Для «холодного двигателя если регулятор (или ограничитель) температуры стабилизирует значение температуры, соответствующее максимальному режиму прогретого двигателя и не допускает ее превышения, прцесс приемистости затягивается.

Важным является для законов управления приемистостью по комплексам внутри двигательных параметров выдерживание одних и тех же запасов ГДУ независимо от теплового состояния металла конструкции узлов двигателя.

При регулировании приемистости по временным программам или по закону

n/Рк* = f(n_КПР ) независимо от теплового состояния сохраняется примерно одно и тоже время приемистости, но запасы ГДУ двигателя в процессе приемистости будут изменяться при изменении при изменении температуры элементов конструкции.

Таким образом: нестационарный теплообмен при приемистости и дросселировании увеличивает время приемистости «холодного» двигателя по сравнению с «горячим» на несколько секунд. Это увеличение больше для управления на максимальном режиме по закону n = const, чем по закону Тг = const.

Лекция 5

Динамика форсированных режимов

Применение форсированных режимов (ФР) на двигателе обеспечивает улучшение взлетных, разгонных и маневренных характеристик ЛА. Форсирование тяги двигателя путем дожигания топлива в ФК обуславливается протеканием динамических процессов в двигателе в связи с взаимодействием форсажного контура с основным.

Включение ФР обычно производится на максимальном режиме работы основного контура. Целесообразным является такой переход к ФР, при котором параметры работы турбокомпрессора двигателя остаются такими же (или близкими) как на макс. режиме. Для выполнения этого условия включение ФР не должно вызывать изменение давления газа за турбиной, что обеспечит сохранение неизменных величины p_T, n, Тг:

(F с кр)ф / (Fс кр)max = С , где С некоторая постоянная величина т.е. включение ФР должно рассматриваться как возмущение, для оценки величины которого используется понятие эквивалентного сопла Асэкв., основанное на том, что при работе двигателя на ФР воздействие на основной1 контур из-за повода теплоты в ФК из-за сгорания Gтф эквивалентно воздействию изменения площади критического сечения реактивного сопла. Для различных величин Gтф может быть подобрано значение Fcкр такое, что параметры основного контура сохраняться неизменными. Связь между Gтф и Fскр:

1. Gв (1+qT_S)(1- dотб) = m_крфРт*q(lскр)Fcкрsфк/

2. При неизменном режиме работы основного контура:

F²_C – а²Gтф = b², где а, b- постоянные величины, Fсэкв – эквивалентная площадь сопла или F_C² – а² Gтфпр = F²с экв.

При анализе динамики ФР рассматривается следующие воздействия на основной контур:

– включение и выключение ФР

– уменьшение или увеличение степени форсирования.

Кроме изложенного динамика ФР определяет темп изменения тяги двига-теля, к величине которой обычно предъявляются повышенные требования.

Законы управления форсированными режимами

Они строятся так, чтобы одним из управляющих воздействий задавать степень форсирования, а второе управляющее воздействие использовать для стабилизации режима работы основного контура. Обычно первое это Gт.ф., а второе Fс = var.

В законе управления ФР предусматривается коррекция:

Gт.ф./ Рк = f (, Твх, m)

Коррекция необходима для компенсации изменения степени двухконтурности «m».

Особенности согласования Gт.ф. и Fс для ДТРДФ при включении ФР

В ДТРДФ с камерой смешения работа ФК существенно влияет на режим работы вентилятора. Смешение холодного воздуха из наружного контура с газом, выходящим из турбины, приводит из-за воспламенения топлива при пониженных температурах к ухудшению условий горения по сравнению с одноконтурным ТРДФ. Все это требует строгого согласования значений Gт.ф и площади критического сечения реактивного сопла Fс, а также исключения больших скачкообразных изменений Gт в процессе запуска ФК и при подключении отдельных топливных коллекторов. Требуется также выполнять направленное регулирование Fс при самопроизвольном погасании топливного факела в ФК. Для ДТРДФ предварительное увеличение Fс на 10% по сравнению с максимальным нефорсированным режимом позволяет выполнить запуск ФК при сохранении исходных запасов ГДУ вентилятора или увеличить Gт.ф.зап. до 27% при допустимом снижении запасов ГДУ вентилятора. Более существенное предварительное увеличение Fс до 25% позволяет уменьшить использование располагаемых запасов ГДУв. Увеличение Fc более чем на 25% является неэффективным так как приводит к снижению первоначального значения запасов ГДУв в результате влияния величины скольжения роторов на запасы ГДУ. При управлении установившимися форсажными режимами в ДТРДФ изменяемая площадь сопла используется для поддержания заданной линии рабочих режимов на характеристике вентилятора с помощью замкнутого контура регулирования. В этом случае при нарушении процесса горения в ФК будет уменьшаться площадь сопла, это приведет к снижению запасов ГДУв при последующем восстановлении процесса горения. С целью защиты вентилятора от таких возмущений, а также для предохранения вентилятора от увеличения оборотов выше допустимой величины при самопроизвольном погасании ФК управление соплом следует выполнять по программно-замкнутой схеме: Fс=f .

Такое регулирование и управление повышает устойчивость системы регули-рования ДТРДФ на форсированных режимах, позволяет большее быстродействие сопла на режимах включения ФК.

Влияние заполнения коллекторов форсажного топлива на процесс включения ФР

При подключении топливных коллекторов могут происходить резкие провалы тяги на время заполнения коллектора. После заполнения коллектора тяга существенно увеличивается до соответствующего практически стационарного значения. Моменты подключения коллекторов сопровождаются падением запасов ГДУ, но в момент снижения расхода топлива в ФК значение увеличивается по сравнению с программным значением из-за работы программного регулятора, увеличивающего площадь сопла то есть смещающего рабочую точку на характеристике вентилятора в сторону увеличения запасов устойчивости.

Нужна система предварительного заполнения коллекторов с задержкой начала розжига т.е. клапанов подключения и заполнения коллекторов, что по-зволит получить практически моментальный процесс нарастания тяги. В реаль-ных системах может наблюдаться некоторое рассогласование в срабатывании клапана подключения и заполнения, но происходящие броски по тяге и запасам ГДУ имеют допустимые величины.

Особенности включения ФР на максимальном режиме

При включении ФР в случае, когда двигатель работает на максимальном режиме, Gт.ф. min ограничивается требованиями надежного распыла и розжига пламени. Эта величина изменяется в зависимости от условий полета. Наибольшее потребное значение Gт.ф. min необходимо на больших скоростях и малых высотах полета так как на этих режимах существует максимальное противодавление на форсунках. С ростом высоты полета повышается плавность протекания процесса изменения тяги двигателя.

Особенности включения ФР на пониженном режиме работы двигателя Процесс выполняется условно в три этапа:

- выполняется основная приемистость до некоторого значения приведенной частоты вращения турбокомпрессора;

- производится заполнение форсажным топливом первого коллектора и далее подача в ФК минимального расхода форсажного топлива, продолжение увеличения оборотов турбокомпрессора, при этом вентилятор раздросселирован и имеет повышенные значения запасов ГДУ;

- завершение основной приемистости, обороты турбокомпрессора постоянны, выполняется подключение второго и т.д. коллектора, увеличивается Gт.ф., увеличивается Fс.

Особенности процессов в двигателе при погасании ФК.