Повышение приемистости, двух-вальных газотурбинных двигателей
При использовании двух-вальных газотурбинных двигателей ГТД на транспортных средствах в ряде случаев их приемистость оказывается недостаточной. Под приемистостью двух-вальных ГТД будем подразумевать время, необходимое для достижения выходным .валом или валом силовой турбины при разгоне номинальной частоты вращения. Время разгона турбокомпрессора определяется из уравнения .
Здесь /хк — момент инерции турбокомпрессора; пр— момент инерции разгоняемых силовой турбины масс, приведенный к ее валу; со — угловая скорость вращения; сг — теплоемкость газа; Гг, Тт—температуры газа перед турбиной компрессора и силовой турбиной; лтк, ятс — степени понижения давления в компрессорной и силовой турбинах, определенные по параметрам торможения; тхк> 'Птс — КПД компрессорной и силовой турбин, определенные по параметрам торможения; Лмтк» *1мтс — механические КПД компрессорной и силовой турбин; = От/Ов— отношение расхода газа к расходу воздуха; 6а — коэффициент, учитывающий затрату мощности на привод вспомогательных агрегатов; Мк, Мс — моменты сопротивления компрессора и иа валу силовой турбины; Мтс, Л1ТК— -моменты на валу силовой « компрессорной турбин; й>к — угловая скорость компрессорной турбины; <оК1, Юк, — угловые скорости компрессорной турбины в начале и в конце пути.
Медленный разгон турбокомпрессора обусловливается малым избыточным моментом при разгоне Л1= =Л1ТК—Опыты и расчеты показывают, что решающим фактором увеличения приемистости двухзального ГТД является ускорение разгона его турбокомпрессора, поэтому очень часто о приёмистости ГТД судят по времени разгона турбокомпрессора: Заметим также, что этой величиной бывает пользоваться удобнее, чем временем разгона силовой турбины (выходного вала), так как последняя величина, как следует из формулы, сильно зависит от характера изменения момента сопротивления на выходном валу. Очевидно, что, если нагрузка двигателя винтовая и Мсоз<о%с, то разгон силовой турбины будет происходить быстрее, чем для случая, когда Мссоштс или Мс=соп$1; поэтому далее будут рассмотрены главным образом способы ускорения разгона турбокомпрессора, имея в виду, что в большинстве случаев уменьшение времени ттк приводит к снижению времени Ттс. Однако для увеличения приемистости соплового регулирования, либо перепуска газа между турбинами, уменьшение Ттк не всегда сопровождается заметным снижением ттс. В связи с этим ири применении силовой турбины с регулируемым сопловым аппаратом (РСА) и при перепуске газа необходимо о приемистости судить главным образом по уменьшению времени разгона силовой турбины.
Рассмотрим некоторые критерии, используемые для оценки приемистости. После несложных преобразований уравнение (1) можно представить в следующем виде.
Здесь юк= й)к/й)к(); 0В=0В/0В0\А — величина, стоящая в формуле (1) в квадратных скобках, где <юК() и 0Во— угловая скорость и расход воздуха компрессора на номинальном режиме.
Из уравнений (3) и (1) следует, что время разгона пропорционально коэффициенту.
Этот критерий приемистости двигателя предложен Я. А. Спундэ для оценки приемистости ГТД, В работе [1] предложен несколько иной критерий — коэффициент динамичности, где Ко — частота вращения компрессора на номинальном режиме; тк — мощность турбины компрессора при номинальном режиме.
В работе время разгона трубйкомпрессора характеризуется выражением ^тк^к/^ео» где ^е0 —эффективная мощность двигателя на номинальном режиме.
Из этого выражения следует, что в подобных двигателях время разгона турбокомпрессора пропорционально диаметру ротора и корню из температуры воздуха и обратно пропорционально давлению окружающей среды. В действительности, из-за нарушения подобия время разгона растет не пропорционально О, а слабее. Тем не менее, опыт показывает, что чем больше двигатель, тем медленнее разгоняется турбокомпрессор.
Анализ приведенных уравнений показывает, что увеличение приемистости ГТД, т. е. уменьшение времени разгона турбокомпрессора и силовой турбины, можно достичь следующими способами: снижением момента инерции турбокомпрессора и приведенного момента силовой турбины; увеличением температуры газа при разгоне; уменьшением отбора мощности на привод вспомогательных агрегатов; впрыском жидкости в компрессор или в камеру сгорания; увеличением степени понижения давления в турбине компрессора при разгоне, что достигается либо путем раскрытия соплового аппарата силовой турбины, либо перепуском газа между силовой и компрессорной турбинами.