Лекция № 5

СИЛОВЫХ УСТАНОВОК (СУ)

2 основные группы:
Параметры, выражающие абсолютной величиной и зависящие от размерности

двигателя;
Удельные параметры, не зависящие от размерности двигателя.

– для двигателей прямой реакции (ТРД, ТРДФ, ТРДД, ТРДДФ);
Мощность на

выходном валу – для ГТД непрямой реакции (ТВД и вертолетных ГТД);
Расход топлива;
Расход воздуха на входе в двигатель;
Сухая масса;
Габаритные размеры;
…

расход топлива и расход воздуха зависят от множества факторов:
Режим работы

ГТД;
Скорость полета;
Высота полета;
Атмосферные условия;
Программа регулирования ГТД;
Степень изношенности двигателя;

тяги и мощности ГТД объясняет значительные различия в конструкции и

параметрах двигателей в зависимости от их размерности;
При анализе конструктивных особенностей и параметров ГТД обычно делят на классы тяги и мощности;

кГс – ТРДД небольших служебных и региональных самолетов;
3000…6000 кГс –

ТРДД для двухдвигательных дальних служебных и региональных самолетов вместимостью 50…70 пассажиров;
6000…9000 кГс – ТРДД для двухдвигательных региональных самолетов вместимостью 70…120 человек;
9000…14000 кГс – ТРДД для двухдвигательных ближне- и среднемагистральных самолетов вместимостью 120…180 человек;
14000…20000 кГс – ТРДД для двухдвигательных ближне- и среднемагистральных самолетов вместимостью 180…250 человек или четырехдвигательных дальнемагистральных самолетов вместимостью 300…350 человек;
20000…35000 кГс - ТРДД для двухдвигательных ближне- и среднемагистральных самолетов вместимостью 200…300 человек или четырехдвигательных дальнемагистральных самолетов вместимостью 350…500 человек;
35000 кГс и выше – ТРДД для двухдвигательных дальнемагистральных самолетов вместимостью 300…400 человек.

по тяге:
до 1000 кГс – малоразмерные ТРД и ТРДД для

летающих мишеней, крылатых ракет, БЛА;
1000…5000 кГс – двигатели для УТС, легких истребителей и ударных самолетов;
5000…15000 кГс – двигатели для средних и тяжелых одно- и двухдвигательных ударных самолетов и истребителей;
Свыше 15000 кГс – для тяжелых истребителей и ударных самолетов с высокой тяговооруженностью, а также сверхзвуковых тяжелых стратегических бомбардировщиков.

ТВД и вертолетные ГТД можно условно разделить на двигатели:
Малой мощности (до 1000 кВт);
Средней мощности (1000…3000 кВт);
Высокой мощности (более 3000 кВт).

Расход воздуха в современных авиационных ГТД изменяется в широких пределах:
От 1 кГ/сек в вертолетных и самолетных ГТД малой мощности;
До 1500 кГ/сек в мощных ТРДД с высокой степенью двухконтурности.

валу ТВД или вертолетных двигателей):

Удельный расход топлива:

Удельный расход топлива

для ТВД и вертолетных двигателей:

Удельная масса:

Удельная масса для ТВД и вертолетных двигателей:

7. Лобовая тяга:

мощности повышение удельных параметров означает снижение потребного расхода воздух через

двигатель, что приводит к уменьшению габаритов и массы ГТД;
Высокая удельная тяга для современных военных двигателей кроме снижения массы и уменьшения габаритов обеспечивает возможность сверхзвукового крейсерского полета без включения ФК;
Удельная тяга гражданских ТРДД имеет тенденцию к некоторому снижению из-за постоянного повышения m для улучшения экономичности и снижения шума;
Снижение удельного расхода топлива значительно уменьшает прямые эксплуатационные расходы и позволяет увеличить дальность полетов воздушных судов;
Снижение удельного расхода топлива для военных ТРДД(Ф) позволяет увеличить радиус боевого действия и снизить стоимость жизненного цикла двигателя.
Для военных двигателей стремление к повышению удельной тяги входит в противоречие с необходимостью снижения удельного расхода топлива. Поэтому при выборе параметров ТРДД(Ф) для многорежимных боевых самолетов ищется оптимальный компромисс, который бы удовлетворял требованиям высоких тяговых характеристик и приемлемой экономичности.

комплексным параметром, который характеризует параметрическое, конструктивное и технологическое совершенство ГТД.

Для снижения удельной массы ГТД применяют способы:
- Совершенствование цикла ГТД, повышение параметров, снижение внутрицикловых потерь, применение сложных циклов;
Аэродинамическое и конструктивное совершенствование основных узлов ГТД;
Применение современных конструкционных материалов;
Применение перспективных технологий изготовления – моноколеса типа “BLISK” и “BLING”, передовые методы сварки роторов и корпусов, термозащитные покрытия деталей, наиболее подверженные воздействию высоких температур и др.

в наземных ГТУ и морских ГТД свободная энергия полностью срабатывается

на турбине и передается потребителю в виде механической энергии на выходном валу двигателя.
Основные параметры наземных ГТУ и морских ГТД:
Эффективная мощность;
Эффективный КПД на валу;
Расход воздуха на входе;
Расход и температура газов на выхлопе;
Располагаемая тепловая мощность на выхлопе;
Расход топлива.
Масса и габариты для наземных ГТУ и морских ГТД имеют второстепенное значение, за исключением транспортных ГТД.

стандартных условиях:
Температура атмосферного воздуха +15°С;
Давление атмосферного воздуха 760 мм.рт.ст.;
Относительная влажность

воздуха 60%;
Без учета потерь давления во всасывающем и выхлопном устройствах объекта применения ГТД;
С учетом потерь на входе и выхлопе собственно ГТД – во входном устройстве компрессора и выхлопном тракте ГТД за турбиной, включающем стойки задней опоры, диффузор и «улитку».

кВт до 250 кВт (микротурбины): автономные энергоагрегаты для выработки электроэнергии

или совместного производства электрической, тепловой энергии или холода;
От 250 кВТ до 10 МВТ (ГТУ малой мощности): для механического и морского привода, привода электрогенераторов в составе ГТЭС простого цикла;
От 10 МВт до 60 МВт (ГТУ средней мощности): для механического и морского привода, привода электрогенераторов в составе ГТЭС простого цикла или комбинированных циклов;
От 60 МВт до 350 МВт (ГТУ большой мощности): используются в составе ГТЭС комбинированного цикла.

соотношение

является удельным расходом топлива , выражение для эффективного КПД ГТД можно записать в виде:

Повышение эффективного КПД - важнейшее направление развития ГТД – достигается параметров цикла температуры газа перед турбиной и степени сжатия компрессора в оптимальном соотношении, а также снижением внутрицикловых потерь за счет совершенствования аэродинамики лопаточных машин, систем охлаждения и снижения потерь по тракту ГТД.
3. Удельная стоимость ГТД – экономический параметр, характеризующий стоимость 1 кВт установленной мощности ГТД в определенной стандартной комплектации. С ростом мощности ГТД существенно снижается его удельная стоимость.

требования, изложенные в нормативных документах;
Технические требования к конкретному разрабатываемому двигателю

с учетом его установки на конкретный летательный аппарат.

В числе важнейших технических требований к конкретному двигателю:
Технические характеристики;
Надежность;
Живучесть;
Безопасность эксплуатации;
Производственная технологичность;
Эксплуатационная технологичность;
Экологические характеристики;
Экономические показатели.

– важнейшие характеристики двигателя, определяющие размеры и основные внутренние параметры.
Тяга

авиационного двигателя должна обеспечивать необходимую тяговооруженность летательного аппарата в различных условиях работы:

Для транспортных дозвуковых самолетов тяга задается исходя из условий:
Обеспечение необходимой тяговооруженности на взлете (с ограничением по времени);
Получение необходимой тяговооруженности (избытка тяги) для набора высоты по заданной траектории;
Получение необходимой тяговооруженности на максимальном крейсерском режиме для обеспечения устойчивого полета с поддержанием оптимальных заданных скорости и эшелона крейсерского полета.

Для боевых самолетов тяга задается из условий:
Высокая тяговооруженность при полете на M=0,9…1,1 для Н=9…11 км и на М=2,0…2,2 для Н=17…18 км;
Требуется в 3…4 раза большая на взлете для обеспечения максимальной скороподъемности, минимального времени разгона и минимальную длину ВВП, максимальный избыток тяги для ведения воздушного боя, сверхзвукового крейсерского полета на М=1,5…1,8 на большой высоте (для истребителей V поколения – без включения ФК).

Требования к габаритным размерам авиационных ГТД обусловлены возможностью и

удобством размещения ДУ на борту самолета.
Важнейшее значение имеет максимальный размер двигателя, т.к. во многом от него зависит размер мотогондолы.
Диаметр мотогондолы имеет особо важное значение при размещении ДУ под крытом самолета. При такой компоновке необходимо обеспечить минимально допустимое расстояние от поверхности ВВП до нижней кромки мотогондолы.
Малая длина ДУ также относится к важным показателям качества двигателя, т.к. способствует уменьшению объема мотогондолы или двигательного отсека, если ДУ располагается внутри фюзеляжа.

Современные тенденции развития ТРДД в сторону увеличения m и, соответственно, увеличения диаметров компрессора и мотогондолы усложняет размещение и компоновку ДУ под крылом самолета и требует согласованной проработки данного вопроса совместно с разработчиком самолета.
Удельная масса проектируемого двигателя не должна превышать уровень удельной массы лучших двигателей аналогичного типа и класса тяги (мощности).
Снижение массы достигается выбором рациональной конструктивной схемы двигателя и его основных узлов, использованием конструкционных материалов с большей удельной прочностью и рациональным конструированием всех деталей и элементов двигателя.

связано с существующей практикой создания семейства самолета на основе одной

базовой модели.
Конструкция базового самолета должна предусматривать и допускать развитие двигателя в сторону повышения тяги.
При использовании в жарком климате или на высокогорном аэродроме может потребоваться расширение условий эксплуатации.
Повышение тяги до 10%, как правило, обеспечивается без изменения конструкции двигателя путем регулирования САУ.
Форсирование двигателя осуществляется обычно после накопления определенного опыта эксплуатации базового двигателя и устранения первоначальных дефектов.
Повышение тяги до 20% без изменения габаритных диаметров двигателя влечет за собой значительное изменение конструкции и повышение параметров.
Повышение тяги свыше 20% требует увеличения диаметра вентилятора для значительного повышения расхода воздуха. Фактически это означает разработку нового двигателя на базе существующего газогенератора.