автореферат диссертации по авиационной и ракетно-космической технике, 05.07.05, диссертация на тему:Термодинамическая эффективность газотурбинных двигателей с двухступенчатым подводом тепла в турбине

9Т6 О»

' . . На правах рукописи

* П : - ' V * К

,' ' ■ 1 5 • ' '

ИВАНОВ ВАДИМ АЛЕКСАНДРОВИЧ

ТШЮДШАМИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ ГАЗОТУРБИННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ С РУХСТШНЧАТЫМ ПОДВОДОМ ТБПЛА В ТУРБИНЕ

Специальность. 05.07.05 - тепловые двигатели

летательных аппаратов

А в торе.ф врат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Казань - 1996

Работа выполнена в АО"Авиадвигатель" (Пермь) и на кафедре ВРД КГТУ им. А.Н.Туполева.

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор

Костврин Б.А.

Официальные оппоненты- член-корреспондент АН РТ,

доктор технических наук, профессор Тунаков А.П. - кандидат технических наук, профессор Кулагин В.В.

'Ведущее предприятие - АО КПП "Авиамотор"

Защита диссертации состоится "_"_1996г. в "_"

час. "_" мин. на заседании диссертационного Оовета К 063.43.01

Казанского государственного технического университета имени А.Н.Туполева по адресу: 420Ш, г.Казань, ул.К.Маркса, 10, зал заседаний.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке КГТУ им.А.Н.Туполева.

Автореферат разослан "_" _1996г.

Ученый секретарь диссертационного Совета

к.т.н.

г~7 А.Г.Каримова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. В перспективе повышение экономичности ГТД будет достигаться за счет увеличения эффективного КПД путем повышения КПД узлов, а для авиационных ГТД также за счет увеличения полетного КПД путем перехода к двигателям со сверхвысокой степенью двухконтурности и винтовентиляторным.

В связи с тем, что степень сжатия современных ГТД находится вблизи оптимальной по работе цикла (которая меньше оптимальной по экономичности) существует также принципиальная возможность повышения экономичности ГТД путем увеличения степени сжатия до экономической, если при этом обеспечить увеличение работы цикла при сохранении его экономичности. Одним из возможных путей увеличения работы цикла является дополнительный подвод тепла в турбине.

В связи с изложенным исследование термодинамической эффективности циклов ГТД со ступенчатым подводом тепла в турбине становится актуальной задачей. Термодинамическая эффективность циклов ГТД определяется соотношением эффективной работы и эффективного КЩЗ, циклов.

Цель работы. Показать возможность увеличения работы цикла ГТД при сохранении его экономичности и степени сжатия путем дополнительного подвода тепла в турбине. Показать такую возможность с учетом повышения КЦЦ узлов в перспективе, а для авиационных ГТД -также с учетом перехода к винтовентиляторным двигателям.

Научная новизна.

1. Получены аналитические выражения для степени расширения газа в первой ступени, обеспечивающие равенство эффективных КПД циклов ГТД с одно- и двухступенчатым подводом тепла при одинаковой степени сжатия в циклах с учетом общих КПД процессов сжатия и расширения.

Показано аналитич^ск^, что в цикле с двухступенчатым подводом тепла при равенстве в случае идеального газа максимумы эф-

фективного КПД и эффективной работы достигаются при одинаковой степени сжатия.

2. Получены аналитические выражения для степени расширения газа в первой ступени подвода тепла (первой турбине), обеспечивающие, выдерживание возможных критериев эффективности цикла ГТД с двухступенчатым подводом тепла (двухкамерного ГШ): максимума эффективного КПД, равенства эффективных КПД ¿е=Д» и максимума степени

расширения газа в реактивном сопле (свободной турбине) с учетом общего КПД процесса расширения. Показано, что полученные выражения-

различные функции

•одинаковых параметров, вследствие чего указанные критерии эффективности для идеального газа в общем случае не совпадают.

3. Получены аналитические выракения для степени расширения газа в первой ту^рбш^е, обеспечивающие выдеркивание равенства эффективных КЦД ¿е =¿6. и максимума степени расширения газа в реактивном сопле (свободной турбине) с учетом КЦД, узлов.

Показано, что для реального газа указанные критерии обеспечивают практически одинаковую .эффективность двухкамерного ГГД (практически совпадают).

4. Получены формулы эффективной работы и эффективного КЦД реальных циклов обычных и двухкамерных ГГД в функции от параметров и КГЩ узлов двигателей.. ,

Практическая ценность. Предложен и обоснован удобный для практических расчетов критерий эффективности (оптимальности) двухкамерного ГГД - максимум степени расширения газа в реактивном сопле (свободной турбине).

Показано, что за счет двухступенчатого подвода тепла в турбине при неизменной степени сжатия:

- мокно получить значительное увеличение удельной мощности (тяги) и соответствующее-уменьшение удельного веса авиационных ГТД при практически неизменном удельном расходе топлива;

- в наземных ГТД мокно значительно понизить температуру газа в камерах сгорания (основной и дополнительной) и значительно уменьшить выброс вредных веществ (оксидов азота) в атмосферу при сохранении удельной мощности;

- увеличение удельной мощности (тяги) в авиационных ГТД и понижение температуры газа в наземных ГТД увеличивается с уменьшением потерь энергии в узлах двигателей в перспективе.

Апробация работы. Результаты работы докладывались и обсуждались на 3-х семинарах в КГТУ и 3-х научно-технических конференциях: в МАИ (1986), КГТУ (1995), АО"Авиадвигатель" (Пермь, Г995).

Публикации. По результатам работы опубликовано б статей в научно-технических курналах и тезисы 3-х докладов на научно-технических конференциях.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, семи глав, основных выводов и списка литературы (//3 наименований). Диссертация изложена на страницах машинописного текста, содержит 35 рисунков, 12 таблиц.

Содержание работы

Во введении обосновывается актуальность теш исследования, формулирована цель работы, приводится аннотация работы по главам.

В первой главе дается обзор и анализ опубликованных работ по следованию циклов ГТД со; ступенчатым подводом тепла в турбине, звестны аналитические работы по.исследованию таких циклов В.Х.Аби-ща (1953), Ю.Н.Нечаева (1954), В.В.Уварова (1970), а также рас-зтная работа Р.П.Малыгиной и др. (1982) и расчетно-теоретическая 1бота В.П.Абрукова, К.И.Лукьянова (1984).

Из упомянутых работ выделено направление, в котором исследует-1 увеличение работы и КПД цикла-ГТД путем дополнительного подвода зпла в турбине компрессора при сохранении степени сжатия одинако-)й с обычным ГТД, что облегчает практическую реализацию такого шла. Такая задача рассмотрена Ю.Н.Нечаевым. В.В.Уваровым рассмот-зна более сложная задача увеличения работы и КПД цикла ГТД до макального путем охлаждения воздуха в компрессоре и дополнительного щогрева газа в турбине (карнотизация цикла ГТД).

Однако, до настоящего времени не исследована возможность увели-зния работы цикла ГТД указанными путяш с сохранением его КПД, при >тором увеличение работы цикла значительно больше, чем при макси-зльном КПД цикла.

В связи с этим, сформирована следующая задача настоящего ис-гедования: показать возможность увеличения работы цикла ГТД с сох-знением его КПД и степени сжатия путем дополнительного подвода зпла в турбине.

Вторая глава содержит аналитическое исследование эффективности шлов ГТД с двухступенчатым подводом тепла с учетом общих КПД про-зссов сжатия и расширения.

Вначале сравниваются КПД идеальных и реальных циклов ГТД с одно-двухступенчатим подводом тепла. Схемы сравниваемых ГТД показаны а рис.1. В общем случае часть работы турбины может передаваться на эздушный винт или другие агрегаты, в частном случае имеем однова-ьныи турбокомпрессор, который может быть использован как газогене-атор в схемах ГТД со свободной турбиной. Первая ступень подвода зпла осуществляется в первой камере сгорания, вторая ступень - во горой камере сгорания. Первая ступень расширения осуществляется в врвой турбине, вторая ступень - во второй турбине и реактивном сопле

При сравнении использовалась формула_э|фективного КПД реального гота с двухступенчатым подводом тепла ),

полученная Ю.Н.Нечаевым при условиях 0^=0^-0 и Ьр^-Ьр^Ьр » а также формула термического КПД идеального цикла с двухступенчатым подводом тепла, полученная в настоящей работе при условии

9^0:

Здесь 9~Т*/% 6г~ТгЦ%- степень повышения тем-

пературы газа в одноступенчатом цикле и в первой и второй ступенях цикла с двухступенчатым подводом тепла; Ь'Рпроцессов расширения в указанных ступенях циклов, Л - КЦЦ процесса скатил в цикле; 6 = л"к"ш' ,где -7Ц. " общая степень сжатия в цикле; ёх'Я**"^* где ~ степень расширения газа в первой ступени цикла; I и 0 - индексы циклов с одно- и двухступенчатым подводом тепла.

При отсутствии дополнительного подвода тепла (6^=1) формула (I) совпадает с известной формулой термического КЦЦ идеального цикла с одноступенчатым подводом тепла .

Результаты сравнения показаны на рис.2. Как видно, с увеличением степени расширения газа в первой ступени (и дополнительного подвода тепла) термический КЦЦ идеального цикла монотонно уменьшается, а эффективный КЦЦ реального цикла увеличивается, достигает максимума, а затем уменьшается. Ю.Н.Нечаевым получена такке формула для степени расширения газа в первой ступени, оптимальной по эффективному КЦЦ (соответствующей Ытах)

Далее производится аналитическое исследование эффективности реальных циклов ПГД с одно- и двухступенчатым подводом тепла при условии равенства эффективных ^{ПД 2е~£е (на возможность которого указывает существование ма*) и степени сжатия сравниваемых циклов. Получены формулы степени расширения газа в-первой ступени для идеального ^ реального газа, обеспечивающие равенство эффективных КПД при условиях и 6^0.о . Для реального газа (Кв=1,4; Кг = 1,33) при условиях О^&^в} ёрг~ кр , получена формула:

где /И коэффициенты, учитывающие различие параметров

воздуха и газа/ Формула (2) может быть использована также для идеального газа (Кг=Кв=К=1,4), если принять коэффициенты М-НП^

77 КС2 тг

л

:с

ВУ

1,2

КС1 Т РС

эис.1. Схемы ГТД с одно(а)- и 1вухст,упенчатым (б) подводом тепла

-А 1,08

0,9В

0.1!

тех

А \

ечт} е ч

2,2 1,8 1,4 1,0

18

идеальных

-ис.2. Зависимость \ реальных циклов ПД с двухсту-юнчатим подводом тепла от степе-1и расширения газа в первой стукни (вг9л=О=6;Я'4О;Ь=0,85; ^0,92.)

На рис.3 показаны зависимости параметров, найденные с использованием формулы (2). Как видно, з цикле с двухступенчатым подвозе

1 ^епр

г" N

Ч ч ч \

к Ч

/ /

/ /

/ ег

( —

У е,

%

V ч V

9оп 4 \ ч в*гЬ ?

е 0,52

0,48

О.ЧЧ

МО

Чпр 4.0

1,6 2,0 2,4 1,8 3,2 3,6 Рис.3. Зависимость параметров циклов ГТД с одно- и двухступенчатым подводом тепла от степени сжатия для идеального газа

Ьр^-оМ---

цикл с одноступенчатым подводом тепла;_цикл с двухсту-

пенчатым подводом тепла при условии ; е-экстремумы.

;ом тепла при условии ¿е~се з случае идеального газа максимум эффективного КЭД и эффективной заботы, а такие минимум подведен-

гого тепла достигаются при одинаковой степени сжатия, равнойВепт£. '.что также показано аналитически). Это является существенным от.-[ичием от цикла с одноступенчатым подводом тепла, в котором сте-1ень сжатия, оптимальная по эффективному КЭД (экономическая), ¡начительно больше оптимальной по эффективной работе. Благодаря >тому отличию увеличение эффективного КЦЦ путем увеличения степе-

-ь -

ни скатия до экономической становится более предпочтительным в цикле с двухступенчатым подводом тепла. Установлено такие, что в цикле с двухступенчатым подводом тепла при условии с£>-Се в случае реального газа максимум эффективной работы достигается при большем, а минимум подведенного тепла - при меньшем значении степени сжатия, чем максимум эффективного КДД (далее это показано на рис.5).

Третья глава содержит аналитическое исследование эффективности реальных циклов ГТД с двухступенчатым подводом тепла (двухкамерных ГТД) с учетом КДД отдельных узлов. Рассмотрен частный случай схемы ГТД (рис.1) - одновальный турбокомпрессор, который монет быть использован как газогенератор в схемах ГТД со свободной турбиной.

Вначале рассматривались возможные критерии эффективности (оптимальности) двухкамерных ГТД. К таким критериям, кроме максимуму эффективного КДД и равенства эффективных КДД

> мощно отнести также максимум степени расширения газа в реактивном сопле (свободной турбине) Л? с. /иах * который является следствием уменьшения общей степени расширения газа на турбинах компрессора при дополнительном подводе тепла между ними. Циклы обычных и двухкамерных ГТД рассматривались как реальные циклы с идеальным газом при условиях в и , приня-

тых в предыдущей главе.

Получены аналитические выракения для степени расширения газа в первой турбине (первой ступени подвода тепла) обеспечивающие вьщеркивание максимума степени расширения газа в реактивном сопле (свободной турбине)» максимума эффективного КЦЦ та% и равенства эффективных КДД с учетом общего КДД процесса расширения в цикле. Полученные аналитические выракения - различные функции одинаковых параметров б^е^е^ ,вследствие чего указанные критерии эффективности для идеального газа в общем случае не совпадают.

Так, из рис.4 видно, что с увеличением параметра Сп эффективный КПД и степень расширения газа в реактивном сопле двухкамерного ГТД увеличиваются и достигают максимума при вт* окт£ и Опоит ер с » а затем наступает равенство эффективных КПД

при • Здесь ет^Г^Кт^^Л^

е^-Я? , где принято

052

1,90 1,80

1,70

/

/

0

P'-

Авг,

iU

'йРр

1,2

7>Л

■e"7i

ем

1,8 1,4 1,2

<-enp

Gpc 1,80

VO

1,60

ph'

ЬЧ ец

1,6 2,о гу 2,8 з,б е Рис.5. Зависимость параметров обычного и двухкамерного ГГД от степени сжатия в цикле для реального газа ¥ ы

- - - обычный ГГД,_двухкамерный ГГД при критерии } ---двухкамерный ГТД при критерии • - экстремумы.

Видно также, что увеличение эффективной работы^двухкамерно-о ГТД по сравнению с обычный ГГД при критериях ЖР.С max (56%) ; (66%) значительно больше, чем при критерии

. разница мекду эффективными КГЩ при этих критериях невелика

Рис.4. Зависимость параметров двухкамерного ГГД ог степени расширения газа в первой турбине для идеального газа при экономической степени сжатия

критерии эффективности

-ь-

В связи с этим, далее производится аналитическое исследование эффективности реальных циклов обычных и двухкамерных ГГД с использованием критериев и с учетом КЦЦ узлов

сравниваемых двигателей. * у *

При условиях Вгб^в и ¿тг^гГ^т получены закономерности изменения параметра Лп < обеспечивающие равентсво эффективных КОД и максимум Жрс двухкамерного ГГД в функции от параметров цикла вне, КГЩ узлов и коэффициентов, учитывающих различие параметров воздуха и газа:

--и V

+ \/71 /П)16с2 ' 1 (3)

где б^[£кто-(е-еч)Л[£к&ут6-(е-еУ)]} С = т-(е-е,)(11^Тпт ,

агл к твЕНв-еЩптУ-^Ъ-^У^ .

у

где СТ1~ЛТ1 ^ ЛгТХ } "р,С~~'<-Р.С

Формулы (3) и (4) могут быть использованы такке для идеального газа, если принять коэффициенты ЛЭТ =1 и /Пп= [К\гг - I.

На рис.5 показаны зависимости параметров для реального газа, найденные с использованием формул (3) и (4). Как видно, зависимости параметров и е-га от степени сжатия в цикле при критерии ¿е-^е различны, а при критерии Жр.с та* совпадают ( Ь чт0 также показано аналитически.

Видно также, что при экономической степени сжатия £опг&

А-Г кП я-г<»Л

критерии эффективности се=2е и Жр.с. шах обеспечивают практически одинаковую эффективность двухкамерного ГГД, так как при

этих критериях эффективная работа и эффективный КЦД двигателя

ТГ

отличаются незначительно, но критерий ->1>р.с. т«х более удобен и далее принят при практических расчетах. Экономическая степень сжатия и эффективный КВД двухкамерного ГГД при критерии Л^тах больше, чем при критерии • Степень сжатия, оптимальная

по эффективной работе, п|эи критерии Жр.стах меньше экономической £слт£> > а ЛРИ критерии ¿е=1е - больше экономической

Четвертая глава содержит расчетное исследование эффективности реальных циклов обычных и двухкамерных ГГД с учетом повышения КОД узлов в перспективе.

Известные формулы для определения эффективной работы и эффективного КПД цикла ГГД содержат зависимость параметров и от КЦД узлов в веде сложной функции, так как^'/(М^вх,^^*) и^/^г/гД^^/г).

Более простым решением задачи является определение зависимости работы и КЦД реального цикла ГТД от КЦД узлов в виде элементарной функции. Такой подход используется для ТВВД обычной схемы (обычного ТВВД) и ТВВД с дополнительной камерой сгорания между турбинами компрессора (двухкамерного ТВВД), схемы которых показаны на рис.б.

Вначале были получены формулы эффективной работы и эффективного КЦД реальных циклов в функции от КЦД узлов.

Для цикла обычного ТВВД:

£ е '(£- Шт1{и- ¿?Ж« +

> _ (5)

где 6-р_с " задано, определяется по формуле вч-^(<эв*,Мп>1<))

вг - из уравнения равенства работы компрессора и его турбины по формуле > а затем определяются

параметры КРс) и ^

АХ __Ьп&пр (6)

Для цикла двухкамерного^ВВД при условии =Тг^='1гг формула эффективной работы Ле пр совпадает с формулой (5), если в ней заменить ¿г на и 6т на ётг • которая определяется из уравнения равенства работы компрессора и его турбины по формуле еТ2 = +и^/еи)£Т1/!1тг] ,

где -ЕгЛ^С■£«)- независимая переменная, обеспечивающая возможность поиска оптимальных параметров цикла, а затем определяются параметры Жт.в~сж1б1абкх^бкаТСгг3£р.с) и втв )

формула эффективного КВД п^и условии <?га-Ь-г^/2г имеет вид «Я 1,

О _ _ Iг1~епр__ (7)

и~ тгл[9-т' Далее с помощью полученных формул выполнено расчетное исследование зависимости работы и КПД реальных циклов обычного и двухкамерного ТВВД от уменьшения потерь энергии в узлах двигателей, которое производилось одновременно во всех узлах двигателей и, по методике предложенной А.Л.Пархомовым, характеризовалось коэффициентом (/-/), в который входит относительная величина |для КЦЦ узлов, §-5/<Гисх для потерь давления, в каналах , ¿х^.г/Сх «г и*.* Для аэродинамического сопротивления мотогондолы, где А/"

За исходный уровень потерь энергии (f - 1,0) в обычном ТВВД приняты коэффициенты: ¿1-0,8^; ¿т-О^ВЗ)

&каН-0,98 , а в двухкамерном ТВВД учтены дополнительные потери энергии, связанные с введением дополнительной камеры сгорания и с заменой турбины компрессора двумя высокотемпературными турбинами: ¿п= ' ¿гг г£>99 ]

НС2 72

ТВ РС Ц62

Рис.6. Схемы обычных(а) и двухкамерных (б) двухвальных ТВВД (без редуктора) 0,58

Рис.7. Зависимость эффективных пара-

ТВВД от уменьшения потерь энергии в узлах двигателей при экономической степени сжатия ог\т£.& :

---обычный ТВВД,-двухкамерный

ТВВД при критерии Лт.в п\ах

0,46

- - - С и 7Л__. — Ч -.1 -

— -

/ /

ъ -У / / 1

/ / /

/ /

У

/ — % щ /- — --

V

<*

у*

О 0,2 0,4 Ц6 0,в

^епр 2,6

2,2

18

1,4'

1,0

Щопт 240

200

{60

120

80

—2 -4

Обычный и двухкамерный ТВВД сравнивались на крейсерском ре-киме полета (Н= 9,75 км, Мп= 0,72, Тн=225К) при одинаковой температуре газа в камерах сгорания Тп~Тг^Тг-/Зь ОК и одинаковой степени сжатия, оптимальной по эффективному КПД (экономической) для обычного ТВВД, которая увеличивалась с умень-иением потерь энергии. Таким путем повышалась экономичность сравниваемых двигателей.

Как видно из рис.7, с уменьшением потерь энергии в узлах двигателей в диапазоне 0...80% (I- = 0 ...0,80) в двухкамерном ТВЗД при выдеркивании ЗСГ1 , соответствующей принятому (глава 3) критерию эффективности Жт.йПах, непрерывно растет эффективная работа и эффективный К1Щ цикла, а в обычном ТВВД эффективная работа после достижения максимума при уменьшении потерь энергии на 30% непрерывно уменьшается. 3 результате с уменьшением потерь энергии в указанном диапазоне эффективная работа двухкамерного ТВЗД увеличивается на 37,,.77%, а эффективный КЗД такке увеличиваясь, остается меньше на 3...5% по сравнению с обычным ТВВД, вследствие учета указанных дополнительных потерь энергии.

Пятая глава содержит расчетное исследование удельных параметров обычных и двухкамерных ГТД (ТВВД, ТРДЦ) с учетом повышения КПД узлов в перспективе. Расчеты выполнены с учетом отборов воздуха из компрессора на охлаждение турбин по методике выбора параметров обычного ГТД, доработанной в связи с введением ДКС в схему двигателя.

Схема обычного ТВВД с двухвальным двухкаскадным турбокомпрессором (газогенератором) включает компрессор низкого давления (КНД), компрессор высокого давления (КВД), основную камеру сгорания (ОКС), турбину высокого давления (ТВД), турбину низкого давления (ТВД) и турбину винтовентилятора (ТВ), который имеет заднее располояение и приводится через редуктор. Схема обычного трехвального ТРДД с двухвальным газогенератором и смешением потоков контуров перед общим реактивным соплом включает также вентилятор -(В) с передним расположением и турбину вентилятора (ТВ). Схемы двухкамерных ТВВД и ТРДД включают также дополнительную камеру сгорания (ДКС) мекду турбинами высокого и низкого давления.

В-начале сравнивались удельные параметры обычного и двухкамерного ТВВД (ДТВВД) на крейсерском режиме полета (Н=9,75км, М= 0,72), имеющих исходный уровень потерь энергии в узлах (|Г=1,0, глава 4), одинаковую температуру газа перед турбинами ТсахвА~ ^сд.тна ~ 1350К и одинаковую общую степень сжатия воздуха в комп-

Л

рессоре Жк^ = 40 (где Жкх=Жана), оптимальную по экономичности для обычного ТВВД.

Г _ ¿елтвед 'е £етид Ш

N¡¡¡1

1,50

с йлт с С» ИМ

Рис.8. Зависимость относительных параметров двухкамерного ТВВД от распределения общей степени скатил воздуха мекду КВД и КВД (Н=9,75 км, М=0,72,Гс;.гв4-=Гс;.г«А =1350К, Жк^40, | = 1,0)

0,5 0,6

(М)

Рис.9. Зависимость относительных параметров двухкамерного ТВВД от уменьшения потерь

энергии в узлах при критерии Яг.в««Д*9,75 км, М=0,72,

7са,твА~7сА.гнА = 1350К).

Как видно из рис,8, в двухкамерном ТВВД с уменьшением (и, значит,Лтва ) степень расширения газа в турбине винтовенти-лятора Лт.& и эффективный КВД увеличиваются и достигают максимума. При Жк&л= 2,8, соответствующей критерию эффективности Лт. й то*, эффективные КЦД сравниваемых двигателей отличаются незначительно (¿й= 0,985), эффективная удельная мощность (удельная мощность на валу винта) двухкамерного ТВВД увеличивается на 30%, а эффективный удельный расход топлива - на 1,5% по сравнению с обычным ТВВД, т.е. сравниваемые двигатели имеют практически одинаковую экономичность. Это объясняется тем, что общий КВД ТВВД изменяется такке, как его эффективный КГЩ, поскольку полетный КВД ТВВД (КОД винта, турбины винта, редуктора) не зависит от

характера рабочего процесса двигателя.

Далее сравнивались удельные параметры обычного и двухкамерного ТВВД, имеющих уменьшенные потери энергии в узлах. Как видно из рис.9, с уменьшением потерь энергии в узлах двухкамерного ТВВД увеличивается общая степень сжатия воздуха в компрессоре (оптимальная по экономичности для обычного ТВВД), соответственно увеличивается степень сжатия воздуха в КВД (соответствующая критерию Лт.втах)' увеличивается степень дополнительного подогрева газа и эффективная удельная мощность этого двигателя по сравнению с обычным ТВВД, а соотношение удельных расходов топлива сравниваемых двигателей остается постоянным, близким к 1,0.

Так, возможное в перспективе к 2000 году уменьшение потерь энергии в узлах двигателей на 3'Ж (I- ^ = 0,3) приведет к увеличению эффективной удельной мощности двухкамерного ТВВД на 40% (Л/еуг = 1,41) по сравнению с обычным ТВВД при практически одинаковой экономичности сравниваемых двигателей (Се = I *02).

Затем сравнивались удельные веса обычного и двухкамерного ТВВД, имеющих уменьшенные на 30% потери энергии б узлах. Увеличение массы двухкамерного ТВВД составило 13% (Д1ав= 1ДЗ), а уменьшение его удельного веса - - (Мдв///еуд^0,8 ) по сравнению с массой и удельным весом обычного ТВВД (без винта).

Сравнивались также удельные параметры обычного и двухкамерного ТРДЦ на крейсерском режиме полета (Н=П км, М= 0,8). Сравниваемые ТРРД имели уменьшенные на 30% по сравнению с исходным уровнем потери энергии в узлах = 0,7), одинаковую температуру газа перед турбинами Тс^.тва -Тсл-тна = 1350К, одинаковую общую степень сжатия воздуха в компрессоре - 70 (где Яь^ЖвхЛкнлЖквА ^ и одинаковую степень двухконтурности

-П, Параметры Жк% и ^ являлись оптимальными по эффективному (с учетом аэродинамического сопротивления мотогондолы) удельному расходу топлива для обычного ТРДЦ. При , соответствующей критерии эффективности Жт.& шах > эффективные КЦЦ сравниваемых двигателей равны, удельная тяга двухкамерного ТРДЦ увеличивается на 45%, а удельный расход топлива - на 6,5% по сравнению с обычным ТРДЦ. Последнее объясняется тем, что в двухкамерном ТРДЦ в результате дополнительного подогрева газа степень сжатия воздуха в вентиляторе Ж& увеличивается, а полетный и общий КГЩ соответственно уменьшаются на 6,5% по сравнению с обычным ТРДЦ.

Увеличение степени двухконтурности двухкамерного ТРДД при сохранении одинаковой с обычным ТРДД эффективной удельной тяги (что практически соответствует одинаковому полетному КГЩ сравниваемых двигателей) не обеспечивает одинаковой или более высокой экономичности двухкамерного ТРДД по сравнению с обычным ТРДД, так как при увеличении степени двухконтурности происходит характерное для двухконтурных двигателей уменьшение эффективного и соответственно общего КПД двухкамерного ТРДД.

В шестой главе рассматриваются характеристики, регулирование и возможные преимущества применения двухкамерных ГТД(ТВВД) на дозвуковых самолетах.

Обычный и двухкамерный ТВВД имели уменьшенные на 30% по сравнению с исходным уровнем потери энергии в узлах и соответствующие этим потерям (глава 5) одинаковые параметры термодинамического цикла на расчетном крейсерском режиме работы (Н=9,75 км, М=0,7.2): Температуру газа перед турбинами Тсц тйа~и общую степень сжатия воздуха в компрессоре Ж^- 60, оптимальную по экономичности для обычного ТВВД. Сравниваемые двигатели имели

соответствующую принятому критерию эффективности двухкамерного ТВВДЛ£т,втох-

На дроссельных режимах работы двухкамерного ТВВД температуры газа перед турбинами высокого и низкого давления, отнесенные к температуре воздуха на входе в двигатель, были связаны зависимостью которая обеспечивала при всех условиях полета однозначные зависимости между приведенными и относительными параметрами двигателя и такое положение ЛРР на характеристике высоконапорного КОД,, при котором вьздерживались достаточные запасы ГДУ на дроссельных режимах работы двигателя без открытия перепуска воздуха из компрессора. Упомянутую зависимость можно реализовать, изменяя расход топлива в ДКС согласно, например, возможной программе регулирования приведенной частоты вращения ротора КНД Пна пр-^ПвАпр) •

Как видно из рис.10 при дросселировании режима работы двухкамерного ТВВД до температуры газа Тса.твд = 1300К упомянутая зависимость температур газа обеспечивает одинаковое снижение (равенство) температур газа перед ТВД и ТНД, при котором эффективная удельная мощность двухкамерного ТВВД превышает эффективную удельную мощность обытаого ТВВД на постоянную величину 40... ...42$, а разница между эффективными удельными расходами топлива сравниваемых двигателей составляет 2%.

—1 w> —

т"

'елТ

'ис. 10. Зависимость эффектив ¡ых удельных параметров обыч-юго и двухкамерного ТВВД от 1Ш 'емпературы газа перед турби-юй (Н=9,75 км, М= 0,72): - — обычный ТВВД,--двухмерный ТВВД, I- расчетный 4 300 фейсерский реким работы.

¿200!

1№-

Далее рассмотрена эффективность применения сравниваемых двигателей на пассажирском двухдвигательном средне-магистральном самолете (CMC). Исходный вариант CMC с обычными ТВВД имеет взлетный вес

£ =94000 кгс,. оптимальную взл

по взлетному весу (соответствующую его минимуму) удельную нагрузку накрыла (G/&) = = 550 кгс/мс и предназначен С^ для перевозки ft = IBS пасса- *Г1Н>1

жиров на заданную практическую

дальность Lnр = 4900

км.

0,П

— "Г" i / z

1 — 1 / —

— /

Тсо\г>1Д /

— - ___ — --

. -- Vi US s

X

i —

A /

7

■

/ /

/ У

hj / /

--

/ —

/' --

/

1

) .i

i

a. /

1 1 /

L 1 — /

1 —f— 1

Л с/яг/с' 660

620

S80

S40

S00

чьо

МЮ 380 340

Агоо

i300

'*00ТЛпА,К

Полет CMC происходит по эшелонам или на постоянной высоте с заданной крейсерской скоростью, соответствующей числу Маха полета М= 0,72,..0,75.

При согласовании параметров планера и силовой установки (с использованием комплексной программы, разработанной в ЩАМ) ее размер по площади входа двигателей FBX дВ выбирался из условия обеспечения суммарной тяги (эквивалентной мощности), потребной для крейсерского полета CMC с заданной скоростью, так как

для взлета с аэродрома заданного класса (/_. двигатели меньшего размера

впп

=1800 м) требовались

меренные для взлета ТВВД имели „.,„ =16250 kBt(R,

чем для крейсерского полета. Перераз-

ЭКВ•ВЗЛ. ------ "-*Х"£ВЗЛ=

=18200 кгс).

Уменьшение веса силовой установки с двухкамерными ТВВД определяется уменьшением удельного веса этого двигателя на Д (глава 5) по сравнению с удельным весом обычного ТВВД, который был принят =0,22 кгс/кВт (0,16 кгс/л.с.) с учетом увеличения

степени сжатия воздуха в компрессоре до экономической. Уменьшение веса силовой установки с двухкамерными ТВВД при постоянной практической дальности полета позволяет улучшить характеристики самолета двумя путями, показанными в табл.1.

Таблица I

Улучшение параметров CMC с двухкамерными ТВВД при L^p-COfl&t

Условие (путь) Изменение параметров CMC,в %

GKM ь

G^amst -5 - 0 -5

6e3/izCon$t 0 +8 -В

Как видно из табл.1 использование двухкамерных ТВВД вместо обычных ТВВД позволяет:

1) при постоянной коммерческой нагрузке уменьшить взлетный вес самолета (а, значит, крейсерскую тягу и вес расходуемого топлива) и километровый расход топлива у,т-б-грас */(п1„р), приходящийся на одного пассажира, на

2) при постоянном взлетном весе самолета увеличить коммерческую нагрузку (количество пассажиров) на 8% путем увеличения длины фюзеляжа ("вставки*), а километровый расход топлива, приходящийся на одного пассажира, уменьшить на 8%.

В седьмой главе дан расчетный анализ улучшения характеристик наземных ГТД посредством дополнительного подогрева газа в турбине двумя путями:

1) путем увеличения эффективной удельной мощности по сравнению с обычным ГТД при сохранении высокой температуры газа в камерах сгорания;

2) путем уменьшения выброса вредных веществ (оксидов азота) за счет понижения температуры газа в основной и дополнительной камерах сгорания при сохранении эффективной удельной мощности по сравнению с обычным ГТД.

Сравниваются обычный и двухкамерный ГТД с двухвальным двух-каскадным турбокомпрессором (газогенератором) и свободной турбиной. В двухкамерном ГТД дополнительная камера сгорания расположена между турбинами компрессора. При расчетах за счет изменения Л-квд приближенно выдерживался максимум степени расширения газа в свободной турбине Л^.гщах, принятый (глава 3) за критерий эффективности двухкамерного ГТД.

Улучшение характеристик наземных ГТД первым путем показано в }бл.2, в которой сравниваются параметры обычных и двухкамерных ГД ¿'исходным уровнем потерь энергии {? =1,0) и с уменьшенными 1 30$ потерями энергии в узлах (^ =0,7). Сравниваемые ГТД имеют угааковую высокую температуру газа перед турбинами Т* а ТВд = ' а ТВД = 1350К и одинаковую, оптимальную по экономичности Тэконо-тческую) для обычного ГТД, общую степень сжатия воздуха в комйрес-зре.

Таблица 2

Сранение параметров обычных и двухкамерных ГТД

с различи™ уровнем потерь энергии в узлах. Н=0, М=0, СА.

Уровень потерь энергии Исходный (f =1,0) Уменьшенный на 30% (f =0,7)

Параметр ГТД обычный ГТД дзухка-мерный ГТД обычный ГТД двухкамерный

Тс.ат&д ,К 1350 1350 1350 1350

Te a тнА 1 К 1124 1350 1091 1350

Лкг 29 29 42 42

Ж KB А 3,0 3,0 3,5 3,5

Л4 чд.лс 307 431 331 499

А4„э > 1,0 1,40 1,0 1,50

36,3 35,7 43,7 42,5

Как видно из табл.2, двухкамерный ГТД с исходным уровнем потерь яергии ъ узлах имеет эффективную удельную мощность на 40$ больше, эффективный КПД - на 0,6% меньше, чем обычный ГТД; двухкамерный ГД с уменьшенными на 30% потерями энергии в узлах имеет эффектив-ую удельную мощность на 50% больше, а эффективный КПД на 1,2% ме-ыпе, чем обычный ГТД с такими же потерями энергии в узлах.

При уменьшении Лква^Лква опгзссг можно достичь наибольшей кономичности двухкамерного ГТД, яри которой эффективная удельная эщность этого двигателя с исходным уровнем потерь энергии в узлах а 28% больше, а эффективный КПД - на 0,3% меньше по сравнению с бычным ГТД вследствие учета дополнительных потерь энергии, связан-ых с введением дополнительной камеры сгорания.

' v. ОСНОВНЫЕ ВЬШОДЫ

1. Показано аналитически, что в цикле с двухступенчатым подводом тепла в турбине можно обеспечить равенство эффективных КПД ¿g-ág , при,котором в случае идеального газа (Кг = Кв) максимумы эффективного КПД и эффективной работы достигаются при одинаковой степени сжатия, благодаря чему увеличение эффективного КПД путем увеличения степени сжатия до экономической становится предпочтительным в цикле с двухступенчатым подводом тепла'.

2. Получены аналитические выражения для степени расширения газа в первой турбине (первой ступени подвода тепла), обеспечивающие выдерживание критериев эффективности двухкамерного ГТД: равенства эффективных КПД ¿e-Je и максимума стелет расширения газа в реактивном сопле (свободной турбине) с учетом КПД узлов, которые в случае реального газа (Кв=1,4; Кг=1,33) обеспечивают практически одинаковую эффективность двухкамерного ГТД (практически совпадают) но последний критерий более удобен и рекомендован для практических расчетов.

3...Получены формулы эффективной работы и эффективного КПД реальных циклов обычных и двухкамерных ТВВД со свободной турбиной в функции от параметров и КПД узлов двигателей. Показано, что при одинаковой температуре газа и увеличивающейся степени сжатия (экономической для обычного ТВВД) с уменьшением потерь энергии в узлах в диапазоне 0...80% в двухкамерном ТВВД (при выдерживании рекомендованного критерия эффективности Л г. в так ) непрерывно увеличивается эффективная работа цикла на 37...77$ по сравнению с обычным ТВВД, эффективная работа которого после достижения максимума при уменьшении потерь энергии на 30$ непрерывно уменьшается.

4. Расчетным путем показано, что при уменьшенных на 30$ потерях энергии в узлах, одинаковой температуре газа перед турбинами и одинаковой общей степени сжатия воздуха в компрессоре ( экономичос: для обычного ТВВД) эффективная удельная мощность двухкамерного ТВ! (при критерии эффективности Жг.& так ) увеличивается на 40$, а егс удельный вес уменьшается на 20$ по сравнению с обычным ТВВД при практически одинаковой экономичности сравниваемых двигателей.

5. Расчетным путем показана возможность создания наземного дат "камерного ГТД, имеющего по сравнению с обычным ГТД эффективную уд< льнув мощность на 28...40$ больше, а эффективный КПД соответствен] на 0,3...О,6$ меньше (вследствие учета дополнительных потерь энергии, связанных с введением дополнительной камеры сгорания) при од]

аковой температуре газа перед турбинами и степени сжатия воздуха компрессоре.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

1. Иванов В.А. Исследование эффективности реальных циклов ГТД одно- и двухступенчатым подводом тепла, при равенстве их эффектных ИД // Изв.вузов. Авиационная техника. 1995. й 3. С.26-31.

2. Иванов В.А. Критерии эффективности реальных циклов двухка-ерных ГТД//Изв.вузов. Авиационная техника. 1996.й I.

3. Иванов В.А. Исследование эффективности реальных циклов бычных и двухкамерных ГТД с учетом КПД узлов//Изв.вузов. Авиаця-нная техника. 1596. В 2.

4. Иванов В.А. Сравнение эффективности реальных циклов обычных двухкамерных ТВВД с учетом возможного повышения КПД узлов//Изв.

узов. Авиационная техника. 1391. Л 3. С.94-99.

5. Планов В.А. Сравнение удельных параметров обычных и двухка-ерша ТВВД// Авиационная промышленность. 1991. л 4. С.(Ч-{6.

6. Иванов В.А. Возможные преимущества двухкамерных ТВВД// 'зв.вузов. Авиационная техника. 1997 (в печати).

Формат 60x84 1/16. Бумага оберточная. Печать офсетная. Печ.л. 1,25. Усл.печ.л. 1,16. Усл-кр^отт. 1,16. Уч.-изд.л.1,0. Тираж 100. Заказ 2 79/91 аз

Казанский государственный технический университет им.А.Н.Туполева.

Ротапринт Казанского государственного технического университета им.А,Н.Туполева. 420111, Казань, К.Маркса, 10.