6.4.5. Высотные характеристики

Высотными характеристиками называются зависимости тяги и удельного расхода топлива двигателя от высоты полета при М = const (или V = const), принятой программе регулирования и заданном режиме работы двигателя.

На характер изменения параметров двигателя с изменением высоты влияют два обстоятельства: уменьшение температуры воздуха (до 11 км в стандартной атмосфере) и уменьшение давления, а следовательно, и расхода воздуха через двигатель.

Первое из них (снижение температуры воздуха при увеличении высоты) приводит к росту удельной тяги (увеличивается работа цикла) и снижению удельного расхода топлива, то есть улучшаются удельные параметры двигателя. Уменьшение расхода воздуха снижает тягу двигателя, притом рост удельной тяги до 11 км не компенсирует снижение расхода воздуха.

С увеличением высоты полета от 0 до 11 км тяга двигателя быстро падает. Удельный расход топлива при этом уменьшается незначительно (на 10-12%). Начиная с высоты 11 км, удельный расход топлива перестает уменьшаться, а тяга начинает падать еще более интенсивно.

Для объяснения такого пpотекания высотных хаpактеpистик необходимо pассмотpеть, как изменяются удельная тяга и pасход воздуха с увеличением высоты полета.

С увеличением высоты полета до 11 км увеличивается степень сжатия компpессоpа. Физически это можно объяснить тем, что более холодный воздух тpебует для своего сжатия меньше pаботы, а поскольку пpи постоянных обоpотах pабота, затpачиваемая на вpащение компpессоpа, остается пpактически постоянной, пpоисходит увеличение степени сжатия.

Увеличивается также степень подогpева воздуха в двигателе. Одновpеменное увеличение степени сжатия и степени подогpева воздуха пpиводит к возpастанию удельной тяги в диапазоне высоты полета от 0 до 11 км. Пpи высоте полета более 11 км темпеpатуpа воздуха на входе в двигатель сохpаняется неизменной, поэтому степень сжатия и степень подогpева воздуха также остаются постоянными. По этой пpичине удельная тяга на высотах более 11 км не изменяется.

Расход воздуха с высотой снижается очень значительно. Это объясняется уменьшением давления и плотности воздуха в окpужающей атмосфеpе.

В pезультате увеличения удельной тяги и менее интенсивного снижения pасхода воздуха тяга ТРД до высоты 11 км уменьшается медленнее, чем атмосфеpное давление, а на высотах более 11 км - пpопоpционально давлению атмосфеpы.

6.5. Влияние наружных условий на параметры гтд

Рассмотрим причины влияния атмосферных условий на тягу двигателя и удельный расход топлива.

Тяга и удельный расход топлива в большой степени зависят от температуры и давления наружного воздуха.

При изменении атмосферного давления, при постоянной частоте вращения ротора и постоянной температуре на входе в двигатель, сохраняются постоянными степени повышения и понижения давления в узлах двигателя, температура и скорость газа во всех его сечениях. Пропорционально изменению атмосферного давления изменяются давление воздуха (газа) во всех сечениях, расход воздуха через двигатель, расход топлива и тяга.

Изменение атмосферного давления при неизменности температуры атмосферы, числа М полета и частоты вращения двигателя приводит к изменению тяги, пропорциональному атмосферному давлению и практически не влияет на удельный расход топлива. В то же время при полетах на больших высотах с дозвуковыми скоростями наблюдаются случаи неустойчивой работы турбореактивных двигателей из-за снижения (в несколько раз) плотности воздуха и газа по всему тракту двигателя и в первую очередь в компрессоре и турбине.

Изменение температуры атмосферы влияет более значительно на изменение данных двигателя, чем атмосферное давление, так как при постоянной частоте вращения изменяется приведенная частота вращения и режим работы двигателя. Увеличение температуры, например, приводит к уменьшению приведенных оборотов, что вызывает снижение степени сжатия компрессора. Уменьшается также степень подогрева воздуха, что приводит к снижению удельной тяги двигателя. Снижается расход воздуха. С ростом температуры тяга двигателя значительно снижается, а удельный расход топлива увеличивается. Увеличение удельного расхода топлива объясняется

ухудшением использования тепла в связи с уменьшения степени сжатия компрессора. Количественное влияние температуры атмосферы таково, что ее повышение от -30 до +45 град. у ТРД на максимальном режиме уменьшает тягу приблизительно в 1,5 раза и увеличивает удельный расход топлива примерно на 15%. Это обстоятельство должно учитываться при переходе на летнюю эксплуатацию, в условиях жаркого климата и других подобных случаях.

При запуске холодного двигателя, а также в процессе вывода на повышенный режим недостаточно прогретого на малом газе двигателя, возможна его неустойчивая работа. Чаще всего это наблюдается при низких температурах окружающего воздуха при резком перемещении рычага управления двигателем (при приемистости).

Неустойчивая работа возникает по причине увеличения зазоров между рабочими лопатками и корпусом компрессора (турбины) вследствие неравномерного (неодновременного) прогрева их.

Таким образом, при недостаточном прогреве двигателя в условиях низких температур окружающего воздуха может быть снижение запаса устойчивости его и помпаж. Поэтому в процессе эксплуатации двигателя в холодных условиях необходимо обеспечивать достаточный его прогрев перед запуском и на режиме малого газа перед выводом на повышенный режим. Это тем более необходимо выполнять, так как при эксплуатации самолетов с одним и тем же типом двигателя в одних и тех же условиях на отдельных экземплярах его могут быть недостаточные запасы устойчивости вследствие влияния производственных отклонений.

Увеличение влажности приводит к снижению тяги ТРД и к увеличению удельного расхода топлива. Максимально возможное содержание водяных паров в воздухе наблюдается у земли, которое с увеличением высоты полета уменьшается. При работе двигателя в условиях максимальной влажности и высокой (30-50 град.) температуры атмосферного воздуха не исключена возможность помпажа.

Влияние пара связано стем, что его теплофизические свойства, газовая постоянная и показатель адиабаты отличаются от теплофизических свойств сухого воздуха. Показатели адиабаты пара и сухого воздуха близки друг к другу. Поэтому, в основном, влияние пара на характеристики компрессора связано с различием газовой постоянной (для водяного пара она равна 462 Дж/кг*К, для сухого воздуха - 287 Дж/кг*К).

Увеличение газовой постоянной приводит к увеличению скоростей звука в потоке и, как следствие, к снижению приведенных оборотов

Снижение приведенных оборотов приводит к уменьшению степени сжатия и удельной тяги. Уменьшается также расход воздуха из-за снижения его плотности вследствие повышения газовой постоянной.

Это приводит к уменьшению тяги. Ухудшается и экономичность двигателя из-за снижения удельной тяги и роста Q (из-за увеличения теплоемкости).

Эти изменения в характеристиках авиадвигателей, работающих во влажном воздухе, отличаются от изменений в характеристиках двигателя, работающего в условиях впрыска в него воды перед взлетом при высокой температуре атмосферного воздуха с целью сохранения мощности или тяги. В этом случае вода превращается в пар непосредственно в компрессоре и частично в камере сгорания.

Процесс сопровождается понижением температуры воздуха за компрессором, что позволяет при той же температуре газа перед турбиной дополнительно увеличить подачу топлива и сохранить мощность или тягу двигателя в условиях высокой температуры атмосферного воздуха.

Обледенение элементов силовой установки может происходить как в полете, так и на земле, в любое время и в широком диапазоне температур атмосферного воздуха, высот и скоростей полета самолета. Отложение льда на поверхности элементов силовой установки возможно в тумане, в облаках, переохлажденном дожде, мокром снеге. Образование льда вызывается наличием в атмосфере воды в различных состояниях: в виде переохлажденных капель, пара, ледяных кристаллов, снежинок и т.п.

Образование льда на поверхности элементов происходит при температуре потока ниже 0. В связи с тем, что температура потока на входе в воздухозаборник в общем случае отличается от температуры атмосферного воздуха (причем чем больше скорость потока, тем ниже температура его), обледенение может происходить не только при отрицательных температурах атмосферного воздуха, но и при положительных (приблизительно до плюс 5 град.). Опыт показывает, что обледенение возможно в широком диапазоне температур атмосферного воздуха: от +5 до -40 град. и даже ниже.

Наибольшее количество случаев обледенения наблюдается от 0 до -10 град. На основании статистики установлено, что условия обледенения встречаются примерно в 8-10 полетах из каждых 100.

Наибольшая повторяемость условий обледенения наблюдается при полета на высотах до 3000 м (50% из всех случаев обледенения).

В ГТД лед образуется на носке воздухозаборника, лопатках направляющего аппарата и лопатках первой ступени компрессора, а также неподвижных поверхностях, расположенных во входном канале двигателя.

В отличие от ВС, обледенение которых наступает при отрицательных температурах, ГТД могут подвергаться обледенению при температуре окружающей среды до 5-10 град. Это явление наблюдается при работе двигателя на земле или малых скоростях полета и объясняется тем, что при скорости полета, меньшей скорости воздушного потока, во входном канале происходит засасывание воздуха, а следовательно, и расширение его, в результате чего температура воздуха понижается и может достигнуть значений, при которых наступает обледенение.

Образование льда на входе в компрессор приводит к уменьшению расхода воздуха и понижению тяги двигателя. Происходит рост температуры газов перед турбиной. Режим работы двигателя приближается к границе области неустойчивой работы компрессора, что вызывает повышение вибраций двигателя, срыв пламени в камере сгорания и т.п. Рост температуры газа, кроме того, создает опасность перегрева лопаток соплового аппарата и турбины.

Обледенению обычно подвергаются следующие элементы силовой установки: воздухозаборник; кок двигателя; лопатки входного направляющего аппарата компрессора; рабочие лопатки и лопатки направляющего аппарата первых ступеней компрессора; агрегаты двигателя, расположенные во входном тракте (датчики полного давления, сигнализаторы обледенения, температуры и т.п.).

Как правило, наибольшее количество льда откладывается на неподвижных элементах входного тракта компрессора - на входных и направляющих лопатках и меньше - на подвижных - на рабочих лопатках. При этом на неподвижных лопатках лед откладывается обычно по всему профилю, а на рабочих лопатках (в связи со сбросом его) в основном в местах выходной кромки со стороны корытца. Таким образом, при полетах в условиях обледенения при неработающей противообледенительной системе обледенение самолетного воздухозаборника и элементов компрессора вызывает потери и изменение геометрии последнего.

Отложение льда на рабочих лопатках компрессора приводит также к дисбалансу ротора двигателя и, как следствие, к задеванию лопаток о корпус, износу и увеличению зазоров между лопатками и корпусом. Изменение геометрии проточной части и увеличение радиальных зазоров в компрессоре снижает КПД его и, помимо ухудшения эксплуатационных параметров двигателя, может вызвать неустойчивую работу - помпаж, вплоть до самопроизвольного выключения его.

Помпаж, возникающий по причине обледенения так же, как и по другим причинам, сопровождается ростом температуры газов перед турбиной и падением частоты вращения ротора двигателя, а также вибрацией и тряской силовой установки.

При эксплуатации самолетов в условиях большой запыленности окружающего воздуха песком происходит интенсивное искажение геометрии газовоздушного тракта двигателя, в особенности его компрессора из-за сильного износа лопаток и корпуса.

Газовоздушный тракт изнашивается до такой степени, что вызывает срывные явления и помпаж компрессора.

При эксплуатации в условиях большой запыленности атмосферы песком необходимо оснащать воздухозаборное устройство двигателя специальным пылеуловителем, хотя это и связано со значительными трудностями.

Увеличение угла атаки у осесимметричных и плоских воздухозаборников с вертикальным расположением клина приводит к значительному снижению коэффициента сохранения полного давления.

Снижаются также коэффициент скорости и запас устойчивости входного устройства. В результате уменьшения коэффициента сохранения полного давления падает давление в тракте двигателя и снижается перепад давлений в выходном устройстве и уменьшается скорость истечения газов. Все это приводит к снижению тяги двигателя и к ухудшению его экономических характеристик. При больших углах атаки эти потери могут достигать 20%.

Характеристики силовой установки с воздухозаборниками, расположенными под крылом (фюзеляжем) или имеющими верхнее горизонтальное расположение клина, ухудшаются на положительных углах атаки в меньшей степени, но они более чувствительны к отрицательным углам атаки.

При эксплуатации самолетов с ТРД возможны случаи воздействия на него внешних нестационарных возмущений: в частности, атмосферная турбулентность, встреча с ударной волной сверхзвукового самолета и т.п. В этих случаях резко изменяются параметры потока воздуха на входе в воздухозаборник, уменьшаются запасы устойчивости компрессора двигателя, возможно его выключение.