Дроссельные характеристики ТВД

        Дроссельными характеристиками ТВД называются зависимости основных параметров двигателя от расхода топлива при заданной программе регулирования и неизменных скорости и высоте полета.

    Так как при некоторых программах регулирования изменение расхода топлива при постоянных значениях V_П иН сопровождается изменением числа оборотов ротора двигателя, то под дроссельной характеристикой обычно понимают зависимость эквивалентной мощности (или мощности на валу винта и реактивной тяги) и удельного расхода топлива от числа оборотов при выбранной программе регулирования и постоянных скорости и высоте полета.

    Выходные устройства ТВД выполняются нерегулируемыми. Но на ТВД появляется еще один элемент – воздушный винт, причем винты могут быть с фиксированным и изменяемым шагом лопастей (ВФШ и ВИШ).

    На рис.13.4. представлены дроссельные характеристики ТВД с ВФШ. При изменении подачи топлива основные параметры рабочего процесса изменяются по оборотам так же, как в ТРД с нерегулируемой геометрией. Степень повышения давления и расход воздуха при увеличении оборотов возрастают, при этом мощность двигателя резко растет, а удельный расход топлива уменьшается.

    При постановке на двигатель ВИШ имеется возможность выбора различных программ регулирования ТВД, так как появляются два независимых фактора регулирования: расход топлива и угол установки лопастей винта φ_в. Подачей топлива задается определенный закон изменения оборотов по режимам, а изменением углов установки лопастей винта определяется закон изменения температуры Т₃* по режимам. В частности, могут быть приняты такие программы регулирования: 1) φ_в= const; 2) n = const; 3)T₃*= const.

    Основным недостатком программы φ_в = const (ТВД с ВФШ), когда остается большой расчетный угол φ_вво всем диапазоне изменения оборотов, состоит в том, что с тяжелым винтом затрудняется запуск двигателя и разгон его до больших оборотов.

    При программе Т₃*= const получаются более высокие значения N_ЭК и более низкие значения С_Э на оборотах меньше максимальных, так как Т₃* и π_к*на этих режимах оказываются выше по сравнению с регулированием по первой программе.

    Программа регулирования n = const отличается тем, что регулятор оборотов путем изменения подачи топлива поддерживает обороты постоянными, а с изменением φ_в изменяется мощность, потребляемая винтом, и необходимая для получения такой мощности температура Т₃*. При уменьшении φ_в (при облегчении винта) температура Т₃* уменьшается. Но при снижении Т₃* резко уменьшается π_к*. Следовательно, эта программа может быть использована в ограниченном диапазоне режимов работы двигателя.

    В ТВД с ВИШ часто используются комбинированные программы регулирования (рис.13.5). От оборотов МГ (точка А) до максимальных оборотов (точка В) двигатель работает с постоянным минимальным углом установки лопастей винта φ_в.мин = const. Далее от точки «В» до расчетной точки «Р» регулирование осуществляется по программе n_max = const. Установка φ_в.мин облегчает запуск и разгон двигателя до n_max и уменьшает возможность возникновения помпажа.

    При установке ВИШ могут быть выбраны и другие, в том числе и комбинированные, программы регулирования. При выборе программы необходимо учитывать ограничения, накладываемые на режимы работы двигателя: по помпажу; поТ*_3.макс, определяющей прочность турбины; по устойчивости процесса горения при малых значениях Т3* (на очень бедных смесях); по максимальным оборотам n_max, выбираемым по условиям прочности вращающихся элементов турбокомпрессора; по режиму авторотации.

    При заданных условиях на входе в двигатель поле возможного изменения мощности ТВД показано на рис. 13.6. Линия 1-2 представляет границу по помпажу компрессора. Линия 2-3 показывает изменение мощности двигателя при максимально допустимой температуре газа перед турбинойТ^*_3.мах. Работа двигателя выше линии 2-3 недопустима по условиям прочности турбины. Линия 3-4 показывает предельно допустимые обороты двигателя, которые также выбираются по условиям прочности турбины. При уменьшении температурыТ*₃можно допускать более высокие обороты турбины, поэтому линия 3-4 не вертикальна, а несколько наклонена к оси абсцисс. Линия 4-5 представляет собой границу возможных режимов работы по авторотации, при которых создаваемая тяга винта направлена в сторону, противоположную направлению движения самолета. Винт вращается от набегающего потока воздуха. Переход двигателя на режимы, расположенные ниже линии 4-5, недопустим из-за возникновения больших отрицательных тяг и выхода винта на такие режимы работы, при которых может произойти поломка двигателя. Линия 5-1 представляет границу возможных режимов работы двигателя по условиям устойчивости работы камеры сгорания.

    Таким образом, возможные режимы работы двигателя определяются областью замкнутого многоугольника 1-2-3-4-5-1. Задача системы регулирования заключается в том, чтобы обеспечить работу двигателя в этой области. Эта задача осложняется тем, что положение ограничивающих линий зависит от условий работы двигателя (от внешних условий). 

    11.5. Зависимость основных параметров ТВД

              от внешних условий

        По тем же причинам, что и в ТРД, основные параметры ТВД, замеряемые при его испытаниях, зависят от температуры и давления атмосферного воздуха. При изменении атмосферного давления рн изменяются только расход воздуха G_В и мощность N_ЭК, а величина С_Э остается неизменной. Изменение температуры Т_Н приводит к изменению N_ЭК и С_Э. При повышении Т_Нуменьшается n/√T_H, π_k*, G_B, N_BиR_R. Следовательно, уменьшается эквивалентная мощность N_ЭК. В связи с уменьшением π_к* возрастает С_Э.

    Приведение замеренных параметров ТВД к стандартным атмосферным условиям производится по тем же формулам, что и для ТРД.

Приведенная мощность на валу винта: N_B.ПР = (N_B.101,3:р_н)√288/T_H*. Тогда приведенная эквивалентная мощность (при работе двигателя на земле):

N_Э.ПР = N_В.ПР + 0,9R_R.ПР .

Приведенный удельный расход топлива: С_УД.ПР = G_Т.Ч.ПР/N_Э.ПР .

Тема 12. Поддержание летной годности авиадвигателей в эксплуатации

    12.1. Надежность ГТД. Показатели безотказности

              и долговечности ГТД

    Основные термины и определения в области надежности установлены ГОСТ 27.002-83, в соответствии с которым ниже приведены наиболее важные из них применительно к авиационным ГТД.

    Надежность – это свойство объекта сохранять во времени способность выполнять требуемые функции в заданных условиях эксплуатации. Надежность является сложным свойством, которое для авиационного ГТД объединяет в себе такие свойства, как безотказность, долговечность и др.

    Безотказность следует рассматривать как свойство ГТД непрерывно сохранять работоспособное состояние в течение заданной наработки.

    Долговечность – это свойство двигателя сохранять работоспособность до наступления предельного состояния при установленной системе технического обслуживания и ремонта.

    Главным показателем безотказности является вероятность безотказной работы, т.е. вероятность того, что в пределах заданной наработки двигателя его отказ не возникнет.

    Вероятность безотказной работы Р(t) можно приближенно оценить по результатам наблюдений отказов в совокупности достаточно большого числа двигателей N, одновременно начавших работу.

Если для некоторой наработки t число отказавших двигателей составляет N_ОТ(t), а число исправных равно N_И(t) = N – N_ОТ(t), то можно считать Р(t) = N_И(t)/N.

ФункциюР(t)- вероятность безотказной работы - часто называют функцией надежности. Она является убывающей. При t=0 отказы невозможны, поэтому Р(0) =1, а при t→∞ P(t) →0,так как в этом предельном случае должны произойти отказы всех двигателей.

Вероятность отказаF(t)связана с функцией надежности равенством: F(t) = 1 – P(t).

    В качестве одного из основных показателей безотказности в практике расчетов широко применяют интенсивность отказовλ(t).Численные значения функции λ(t) получают поданным регистрации отказов двигателей, используя приближенную формулу:

λ(t) ≈ ∆N_от(t, t+∆t) / N_и(t)*∆t,

где ∆N_от(t, t+∆t)– число отказавших двигателей в интервале наработки ∆t;

∆t –длина интервала наработки;

N_и(t)– число исправных двигателей при наработке t.

    Из неработоспособного состояния (после отказа) двигатель можно перевести в работоспособное состояние методами технического обслуживания, - регулировками, заменой агрегатов, легкосъемных модулей и т.п.

При достижении же предельного состояния дальнейшее применение двигателя на воздушном судне недопустимо или нецелесообразно.

    Например, при появлении трещины на диске турбины дальнейшая эксплуатация ГТД недопустима по требованиям безопасности полетов, так как возможное за этим полное разрушение диска способно вызвать вторичные разрушения элементов двигателя и воздушного судна с тяжелыми последствиями. Прогары и оплавления лопаток соплового аппарата турбины приводят к сильному падению тяги и увеличению расхода топлива, что делает дальнейшее использование двигателя экономически нецелесообразным. В том и другом случае двигатели не могут быть выведены из соответствующих предельных состояний в эксплуатационных условиях. Для этого их необходимо снимать с воздушного судна и отправлять в ремонт (или производить замену модуля).

    Если в двигателе одновременно произошли отказы большого числа ответственных элементов или вероятности этих отказов достаточно высоки, то такой двигатель имеет предельное состояние, при котором восстановление его работоспособности путем ремонта нецелесообразно, а в некоторых случаях и невозможно. Применение такого двигателя по назначению вообще должно быть прекращено.