ЭКСПЛУАТАЦИОННЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ДВИГАТЕЛЯ
Характеристикой турбореактивного двигателя называется зависимость основных параметров (тяги и удельного расхода топлива) от частоты вращения ротора двигателя, высоты и скорости полета самолета. Характеристики двигателя необходимы для проведения инженерно-штурманских расчетов дальности и продолжительности полета, определения тяговооруженности самолета, оценки совершенства двигателей путем сравнения между собой, а также для определения тактикотехнических данных самолета, его боевых и эксплуатационных возможностей.
Дроссельной характеристикой двигателя называется зависимость тяги и удельного расхода топлива от частоты вращения ротора при постоянной высоте и скорости полета. Обычно дроссельная характеристика строится по результатам испытания двигателя на стенде при высоте и скорости полета, равных нулю. Для
исключения влияния барометрического давления и температуры окружающей среды на значения удельного расхода топлива и тяги двигателя результаты испытания приводят к стандартным атмосферным условиям (барометрическому давлению окружающего воздуха Лст = 760 мм рт. ст. и температуре 7’Ст = 288°К).
Приведение замеренных основных параметров к стандартным атмосферным условиям производится по следующим формулам:
а) приведенная частота вращения ротора двигателя
/ |
288
—, об/мин;
То
б) приведенная тяга двигателя
п г 760
Аітр = Азам —— , КГС;
Во
в) приведенный удельный расход топлива
г) приведенная абсолютная температура газов
Дроссельная характеристика двигателя М701 с-500 представлена на рис. 77. Из этой характеристики видно, что с увеличением частоты вращения ротора двигателя тяга возрастает, а удельный расход топлива уменьшается.
На тягу и удельный расход топлива влияют степень повышения давления, температура газов перед турбиной, расход’воздуха через двигатель и коэффициент полезного действия компрессора и турбины. Все эти параметры зависят от частоты вращения ротора двигателя (рис. 78).
Степень повышения давления увеличивается довольно интенсивно с увеличением частоты вращения, а коэффициент полезного действия компрессора (т]к) имеет максимум при средней частоте вращения ротора. Коэф-
Рис. 77. Дроссельная ха-
рактеристика двигателя
М70ІС-500
Рис. 78. Зависимость ос-
новных параметров дви-
гателя от частоты вра-
щения
фициент полезного действия турбины (т]т) практически мало изменяется в рабочем диапазоне частоты вращения.
Температура газов перед турбиной с увеличением частоты вращения ротора вначале уменьшается, а затем начинает расти. Такой характер изменения температуры объясняется условиями совместной работы компрессора и турбины.
При изменении частоты вращения изменяется не только температура газов перед турбиной, но и темпе
ратура воздуха за компрессором Т2, причем разность Т3—Т2 (степень подогрева воздуха в камере сгорания) изменяется более резко, чем Тг.
Удельная тяга двигателя зависит от степени повышения давления и степени подогрева воздуха в камере сгорания. Поэтому изменение удельной тяги характеризуется совместным действием указанных факторов. В начале под влиянием увеличения степени повышения давления удельная тяга растет медленно за счет снижения степени подогрева, а затем происходит увеличение степени подогрева и возрастание удельной тяги становится более интенсивным.
Характер ‘ изменения тяги двигателя определяется изменением удельной тяги и расхода воздуха (Св). До режима и = 75—80% происходит относительно плавное увеличение тяги, что определяется медленным увеличением Яуд и GB. При дальнейшем увеличении частоты вращения резкое возрастание удельной тяги приводит к значительному увеличению темпа роста тяги двигателя.
На изменение удельного і расхода топлива CR по дроссельной характеристике действуют те же факторы— степень повышения давления и степень подогрева воздуха в компрессоре. Увеличение степени повышения давления уменьшает удельный расход топлива, а увеличение степени подогрева — увеличивает. Поэтому вначале с увеличением частоты вращения происходит резкое уменьшение удельного расхода топлива, так как одновременно увеличиваются степень повышения давления и степень подогрева, а затем увеличение степени подогрева начинает оказывать более значительное влияние и удельный расход топлива, достигнув минимума при п = 90—95%, начинает возрастать.
Характеристикой двигателя по скорости полета называется зависимость тяги и удельного расхода топлива от скорости полета на данной высоте при постоянной частоте вращения ротора. Скоростные характеристики строятся при условии постоянства температуры газов перед турбиной.
С увеличением скорости полета в результате скоростного сжатия возрастает давление воздуха во входном устройстве и соответственно увеличивается секундный расход воздуха через двигатель. Одновременно увеличивается и общая степень повышения давления в двигателе, что вызывает повышение температуры воз-
Рис. 79. Высотная и скорост-
ная характеристики двигателя
М70ІС-500 на самолете Л-29
при п= 15400 об/мин
духа за компрессором Т2 и соответствующее уменьшение степени подогрева (Тз—Т2), так как температура газов перед турбиной остается постоянной. В связи с этим удельная тяга двигателя также уменьшается.
Поскольку тяга двигателя равна произведению удельной тяги на секундный расход воздуха, изменение тяги с увеличением скорости происходит в результате взаимного влияния этих двух факторов. До скорости полета, соответствующей М = 0,4 … 0,5, увеличение расхода воздуха не может компенсировать снижение удельной тяги, в результате чего тяга двигателя падает. При больших скоростях полета расход воздуха возрастает настолько, что превышает падение удельной тяги, и тяга двигателя начинает возрастать (рис. 79).
Для анализа характера изменения удельного расхода топлива целесообразно рассмотреть формулу
3600-Q
где Q — количество подведенного тепла;
На—низшая теплотворная способность топлива; /?уд — удельная тяга двигателя;
S — коэффициент выделения тепла, характеризующий полноту сгорания (0,96…0,97).
При увеличении скорости полета уменьшаются и количество тепла (степень подогрева) и удельная тяга. При этом удельная тяга уменьшается более интенсивно, чем степень подогрева, поэтому удельный расход топлива с увеличением скорости полета возрастает (рис. 80).
Рис. 80. Приближенная зависимость удельного расхода топлива двигателя М70ІС-500 от скорости и высоты полета при «=15400 об/мин
Высотной характеристикой двигателя называется зависимость тяги и удельного расхода топлива от высоты полета. Эта характеристика строится при условии постоянства скорости полета самолета, частоты вращения ротора двигателя и температуры газов перед турбиной.
С увеличением высоты полета температура наружного воздуха уменьшается, а после высоты 11 км остается практически постоянной. С уменьшением температуры окружающего воздуха уменьшается температура воздуха за компрессором Т2, а следовательно, при постоянной температуре Тг увеличивается подогрев воздуха в камере сгорания (Т3—Т2).
При уменьшении температуры наружного воздуха с подъемом на высоту растет также степень повышения давления воздуха в компрессоре.
В результате этого удельная тяга двигателя с подъемом на высоту до 11 км возрастает, а на высоте 11 км и выше температура воздуха остается постоянной и соответственно удельная тяга не меняется.
С увеличением высоты уменьшается плотность наружного воздуха, что вызывает уменьшение его расхода через двигатель. До высоты 11 км вследствие увеличения степени повышения давления падение расхода воздуха происходит медленнее, чем падает плотность воздуха. Поскольку тяга определяется произведением удельной тяги на расход воздуха, ее изменение зависит от изменения обоих этих параметров. Уменьшение расхода воздуха с высотой настолько значительно, что не может быть компенсировано некоторым увеличением удельной тяги, поэтому тяга двигателя с подъемом на высоту падает.
Рис. 81. Высотная и ско-
ростная характеристики дви-
гателя М70ІС-500 на само-
лете Л-29 при
п= 14950 об/мин
Изменение с высотой удельного расхода топлива также происходит под влиянием двух факторов: степени повышения давления и степени подогрева. При увеличении степени повышения давления удельный расход топлива уменьшается, а с увеличением степени подогрева — увеличивается. Однако с подъемом на высоту рост степени повышения давления оказывает преобладающее влияние, поэтому удельный расход топлива с поднятием на высоту уменьшается. На высоте 11 км и более оба влияющие фактора не изменяются и удельный расход топлива также остается постоянным.
Обычно для удобства пользования скоростную и высотную характеристики совме-
Рис. 82. Высотная и ско-
ростная характеристики дви-
гателя М70ІС-500 на само-
лете Л-29 при
«=14500 об/мин
Рис. 83. Высотная и ско-
ростная характеристики дви-
гателя М70ІС-500 на само-
лете Л-29 при
п=13 500 об/мин
щают. Такие высотноскоростные характеристики двигателя М701с — 500 для некоторых режимов его работы представлены на рис. 81, 82, 83.
Для двигателей М701 с-500 установлены следующие основные режимы работы.
Максимальный режим (взлетный) соответствует максимальной частоте вращения ротора «.= 15 400 об/мин, а следовательно, и максимальной тяге двигателя.
Узлы и детали двигателя при работе на максимальном режиме подвергаются наибольшей нагрузке, и поэтому время непрерывной работы двигателя в полете не должно превышать б мин.
Номинальный режим соответствует частоте вращения ротора на 3% ниже максимальной, при этом тяга двигателя меньше максимальной на 10%. Используется этот режим при наборе высоты с большой скоростью.
Крейсерский режим (0,9 номинального) соответствует частоте вращения на 6% ниже максимальной, при которой тяга составляет 80% от максимальной.
Малый газ соответствует наименьшей частоте вращения ротора, при которой обеспечивается устойчивая работа двигателя. Тяга на этом режиме не должна быть более 70 кгс, чтобы не увеличивалась длина пробега самолета при посадке.
Время непрерывной работы двигателя на земле на режиме малого газа не должно превышать 10 мин.
Пользуясь характеристиками двигателя, необходимо учитывать, что в процессе эксплуатации самолета на
Рис. 84. Зависимость тяги дви-
гателя М70ІС-500 от атмосфер-
ных условий при
п= 15 400 об/мин
детали газовоздушного тракта воздействует целый комплекс факторов, приводящих к износу деталей газовоздушного тракта, ухудшению их аэродинамического обтекания, изменению зазоров между деталями и т. д. Поэтому с увеличением наработки двигателя уменьшаются коэффициенты полезного действия компрессора и турбины, снижаются степень повыше — #ия давления и расход воздуха, ухудшается процесс сгорания, изменяются проходные сечения из-за коробления жаровых труб и лопаток соплового аппарата. В результате таких изменений происходит уменьшение тяги двигателя и рост удельного расхода топлива. С увеличением наработки снижение тяги двигателя происходит все более интенсивно. Опыт показывает, что за первые 100 ч наработки тяга может снижаться примерно на 0,5%, за 400 ч — на 7… 8%, за 500 ч — на 9… 10%, а удельный расход топлива за 400 … 500 ч увеличивается на 10… 15%.
Кроме того, следует учитывать изменение тяги двигателя в зависимости от атмосферного давления и температуры окружающего воздуха (рис. 84), а также то, что при установке двигателя на самолет Л-29 тяга снижается на 4…4,5% за счет гидравлических потерь на входе воздуха в двигатель.