Исследование рабочих характеристик и рациональных режимов эксплуатации турбовинтовых двигателей (ТВД) карьерных вентиляторов Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

СЕМИНАР 13

ДОКЛАД НА СИМПОЗИУМЕ "НЕДЕЛЯ ГОРНЯКА -

МОСКВА, ■ МГГУ, . 25.01.99 ■ - ■ 29.01.99

......^М.М. Конорев. Г.Ф. Нестеренко,

2000

УДК 622.4

М.М. Конорев, Г.Ф. Нестеренко

ИССЛЕДОВАНИЕ РАБОЧИХ ХАРАКТЕРИСТИК И РАЦИОНАЛЬНЫХ РЕЖИМОВ ЭКСПЛУАТАЦИИ ДУВБОВММЖОВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ (ТВД) КАРЬЕВ-

НЫХ

Р

ежим работы ТВД определяется при постоянных внешних условиях двумя параметрами: числом оборотов двигателя n и расходом топлива Gt. От сочетания этих параметров и внешних условий зависят мощность, температура газов перед турбиной, удельный расход топлива и другие показатели.

К основным характеристикам ТВД относятся зависимости эквивалентной мощности N3Kb., мощности на валу двигателя Ne, реактивной тяги PR и удельного расхода топлива Суд. от n и Gt

Мощностные и тяговые характеристики строятся в широком диапазоне изменений n и Gt, однако из-за необходимости обеспечения механической и тепловой прочности, а также устойчивости процессов, работа двигателя допускается только в сравнительно узкой области режимов [1].

На рис. 1 представлены графики изменения приведенного удельного расхода топлива Суд =f №) и угла

установки лопастей винтов ф=£(Ые), из которых следует, что в наземных условиях наиболее экономичным является взлетный режим - N =1,25, для

которого Сyd = min. Однако время

работы двигателя на этом режиме ограничено. В то же время необходимо отметить, что в области режимов

Рис. 1. К оценке экономичности режимов работы ТВД Рис. 2. Скоростные характеристики ТВД

0,85^0,95 номинала у графика С уд=£(Ые) выпуклость сменяется на вогнутость, что свидетельствует об уменьшении скорости увеличения приведенного удельного расхода топлива. В этом интервале режимов время работы двигателя не ограничено, при этом Фот=(37-39)°

Теоретическими исследованиями установлено, что параметры ТВД с оптимальной программой регулирования П=СОШ^ Тг =c0nst могут быть существенно улучшены на крейсерских режимах по сравнению с V=0 [2,3]. Анализ скоростных характеристик (рис. 2) свидетельствует о том, что с увеличением скорости полета эффективная мощность ТВД

N е растет интенсивно, а реактивная тяга Ре уменьшается, при этом удельный расход топлива Се существенно уменьшается, что приводит к улучшению экономичности. Это объясняется

следующими причинами.

С увеличением скорости полета степень расширения газа в турбине возрастает вследствие увеличения суммарной степени сжатия, что приводит при Тг =const к увеличению те-плоперепада, срабатываемого на турбине, и росту удельной эффективной мощности. По этой же причине, несмотря на некоторое снижение удельной реактивной тяги РЕуд, происходит увеличение эквивалентной мощности ТВД. Одновременно возрастает расход воздуха через двигатель за счет повышения давления на выходе из компрессора.

Таким образом, увеличение ^

и N е с увеличением скорости полета V являются результатом одновременного увеличения удельной мощности

N е уд и весового расхода воздуха Gв.

Снижение относительной тяги Р е обусловлено более интенсивным увеличением V по сравнению со скоростью истечения газов из турбины Сг, вызванного возрастанием тепло-перепада, срабатываемого на турбине. Уменьшение С е с ростом V происхо-

дит как вследствие увеличения N е, так и коэффициента избытка воздуха (за счет снижения разности температур (Тг - Т к). Физической причиной снижения С с увеличением V является возрастание суммарной степени сжатия и связанное с этим повышение эффективного к.п.д. двигателя ^е.

Необходимо отметить, что для полного использования рассмотренных скоростных характеристик редуктор должен быть рассчитан на N е тах, которая получается при полете с ^гк у земли. Однако это привело бы к чрезмерному увеличению габарита и веса редуктора, а следовательно и всего двигателя. Поэтому для уменьшения веса расчет редуктора и двигателя производят не на у земли, а на меньшую, обеспечивающую как взлет самолета, так и требуемую скорость полета на расчетной высоте. При этом потребуется ограничение для редуктора расчетной эффективной мощности ТВД (на рис. 2 линия Оа). Области скоростных характеристик, лежащие выше линии ограничения Оа, использованы быть не могут.

На основании вышеизложенного можно сделать вывод, что при работе на земле топливную экономичность самолетного ТВД можно улучшить за счет наддува компрессора. Для этой цели производится отбор воздуха из зоны максимальных скоростей струи, создаваемой воздушным винтом, с помощью специального воздухозаборника.

Как следует из рис. 2 мощность, равную 0,85 номинала, можно обеспечить при скорости наддува V=125 м/с (линия N е соответствующая Нп=4000 м). При этом С е уменьшится на 5%, а суммарная тяга остается неизменной: производится

только перераспределение между Рв и Ре.

В теории газотурбинных авиационных двигателей [2] известно несколько способов увеличения тяги. Наиболее распространенный способ форсирования тяги заключается в сжигании дополнительного топлива перед

В В • ■ В % ф В Ш « В В * В В Ф '

турбиной и реактивным соплом. Однако при работе на земле этот способ форсирования тяги ухудшает экономичность двигателя, так как для увеличения тяги на 30 % необходимо увеличить удельный расход топлива на 70 %.

Другим способом форсирования тяги газотурбинного двигателя является охлаждение воздуха, поступающего в компрессор. Из всех возможных приемов охлаждения воздуха предпочтение отдается впрыскиванию воды, спирта и их смесей.

На рис. 3 представлено теоретически возможное увеличение тяги при впрыске жидкости в воздухозаборник двигателя. Предельное отношение для метанола Gм/Gв°з«4 %, для воды

Gв/Gвоз=6 %.

Путем подбора смеси метанол-вода ((3:7) можно избежать регулирования расхода топлива или площади сечения движущегося реактивного сопла. Смеси вода-метанол остаются жидкими при отрицательных температурах. Из графика ДР=£^ж) (рис. 3) следует, что при введении в компрессор двигателя воды Gж=5 % прирост тяги газотурбинного двигателя составляет 33%, а эквивалентной мощности dN экв=0,082. Прирост dN экв распределяется следующим образом -у винта d N е=0,072, d N с=0,01 - у реактивной струи. Вследствие того, что в интервале рабочих режимов двигателя вентилятора N е=0,85^0,95 d С удМ N е «-1, то при d N е=0,072 d С уд=-0,072(7,2%). Таким образом впрыск во-

ды в компрессор ТВД (Gж=5 %) приводит к снижению удельного расхода топлива на 7 %, то есть улучшаются техни-ко-экономи-ческие показатели ТВД.

Возможен также и способ форсирования тяги за счет впрыска воды непосредственно в камеру сгорания. Однако для сохранения температуры Т z=const потребуется увеличение расхода топлива. При одинаковом увеличении тяги двигателя форсаж впрыском в камеры сгорания требует значительно большего расхода воды по сравнению с впрыском через компрессор. Кроме того, по мере увеличения подачи воды в камеры сгорания компрессор может попасть в область неустойчивых режимов работы вследствие уменьшения расхода воздуха.

Анализ возможных способов увеличения тяги или мощности авиадвигателя свидетельствует о том, что наиболее приемлемым для наземных установок, в частности вентиляторов, является впрыск жидкости в компрессор. Этот способ позволит также улучшить гигиенические характеристики ТВД за счет растворения токсичных компонентов выхлопа.

В конструкции вентилятора НК-12КВ-1М предусмотрена реализация этого способа [4,5]. Для этой цели в передней части кожуха вентилятора (рис. 4) располагается внутренний трубчатый контур, через форсунки которого разбрызгивается перед компрессором в летнее время вода, а в зимнее - смесь воды с метанолом.

Рис. 3. Влияние впрыска жидкости в воздухозаборник на тягу двигателя Рис. 4. Общий вид водораспыляющего контура вентилятора

РЫ

1. Максимов Н.А., Секистов В.А. Двигатели самолетов и вертолетов. Основы устройства и летной эксплуатации. - М.: Военное издательство Министерства обороны, 1977, с.314-315.

2. Кулагин И.И. Основы теории авиационных газотурбинных двигателей. - М.: Военное издательство Министерства обороны, 1967, с.260-311.

3. Казанджан П.К., Кузнецов А.В. Турбовинтовые двигатели. Рабочий процесс и эксплуатационные характеристики. - М.: Военное издательство Министерства обороны, 1961, с.150-159.

4. Совершенствование параметров карьерных вентиляторов-оросителей НК-12КВ / Конорев М.М., Филатов С.С., Нестеренко Г.Ф. и др. - Наземное применение авиадвигателей в народном хозяйстве. Часть 2. Материалы межотраслевых н.-т. конф., совещаний, семинаров и выставок. - М. : ВИМИ, 1981, с.63-70.

5. Промышленные испытания карьерного вентилятора АИ-20КВ / Филатов С.С., Конорев М.М., Нестеренко Г.Ф. - М.: Цветная металлургия, 1973, №23, с.62-65.

/

°в^ Конорев М.М. — кандидат технических наук, Институт горного дела Ураского отделения РАН. !!;!;!; Нестеренко Г.Ф.— кандидат технических наук, Институт горного дела Ураского отде- ттениа РАН