Номинальные режимы работы электрических машин постоянного тока

Вопрос №1. основные эксплуатационные параметры и режимы работы авиационных двигателей.

Содержание занятия

Введение

Целью данного занятия является изучение принципов работы авиационных ГТД и основных эксплуатационных параметров и режимов работы двигателей.

Вопрос №1. Основные эксплуатационные параметры и режимы работы авиационных двигателей.

Газотурбинный двигатель, у которого турбина развивает большую мощность, чем требуется для вращения компрессора и избыточная мощность турбины передается на привод воздушного винта, называется турбовинтовым двигателем. Если избыточная мощность турбины передается на вал винта вертолета, двигатель называют турбовальным ГТД. Рабочий процесс турбовинтовых двигателей и турбовальных ГТД для вертолетов, по-существу, одинаков.

Особенность рабочего процесса ТВД по сравнению с рабочим процессом ТРД состоит в том, что вследствие большей степени расширения газа в турбине давление газа на выходе из турбины меньше, чем в ТРД, и в ряде случаев меньше атмосферного. В ТВД эффективная работа турбины L_T больше эффективной работы компрессора L_K. Избыточная работа турбины

передается на воздушный винт и является частью полезной ра-

боты цикла ТВД

, (1.1)

которая может быть выражена через параметры рабочего процесса.

Тяговая мощность в ТВД создается за счет подводимой к воздушному винту через редуктор мощности и реактивной силы тяги

, (1.2)

Разделив выражение (1.2) на GB, получим соотношение для полезной тяговой работы ТВД:

, (1.3)где

— тяговая работа винта, отнесенная к 1 кг воздуха проходящего через двигатель в 1 с.

, (1.4)

где LB — работа, подводимая к винту (отнесена к 1 кг/с воздуха);

— КПД винта;

— механический КПД редуктора.

, (1.5)

Такую же величину тяговой работы можно было бы получить одним только винтом, если к нему подвести эквивалентную работу

Соответственно этой работе получается эквивалентная мощность

, (1.6)

Для современных самолетных ТВД

= 3500-11 000 кВт, а для вертолетных ГТД

= 1000

6000 кВт. Введение эквивалентной мощности удобно для оценки совершенства ТВД, которое характеризуется величиной удельных параметров двигателя.

Удельная эквивалентная мощность

, (1.7)

Удельный расход топлива

или

, (1.8)

Для ТВД полный КПД определяется как

, (1,9)

, a

, тогда

, (1.10)

Для современных ТВД на стенде С_е = 0,3

0,4 кг/кВт • ч,

=150

200 кВт-с/кг.

Работу цикла в ТВД распределяют между винтом и реакцией таким образом, чтобы получить максимальную тяговую работу. При этом полный КПД будет максимальным, а Се — минимальным.

Теоретически доказывается, что максимальная тяговая работа ТВД получается при условии, из которого следует, что, чем больше скорость полета и меньше

, тем больше должна быть скорость истечения газа из сопла двигателя с

_с

, тем меньше будет работа, передаваемая на винт.

, (1.11)

Влияние параметров рабочего процесса

(или

) на удельные параметры ТВД качественно такое же, как и в ТРД. Исключение составляет влияние температуры перед турбиной на удельный расход топлива. В ТРД существует экономическое значение температуры газа перед турбиной

, при которой

. Это обусловлено тем, что при увеличении

и соответствующем росте

возрастают также потери с выходящими газами, что снижает тяговый КПД

= 2/(l

) и при

>

— полный КПД. В ТВД основная часть тяговой работы создается воздушным винтом, КПД которого (характеризующий степень преобразования основной части работы цикла L

_e

в тяговую работу) не зависит от величины

(или

). Поэтому в ТВД при увеличении

удельный расход топлива непрерывно уменьшается. Следовательно, в ТВД целесообразно повышать температуру газа перед турбиной как с точки зрения увеличения мощности двигателя, так и с точки зрения повышения его экономичности.

Вывод: газотурбинный двигатель, у которого турбина развивает большую мощность, чем требуется для вращения компрессора и избыточная мощность турбины передается на привод воздушного винта, называется турбовинтовым двигателем. Если избыточная мощность турбины передается на вал винта вертолета, двигатель называют турбовальным ГТД.

Особенность рабочего процесса ТВД по сравнению с рабочим процессом ТРД состоит в том, что вследствие большей степени расширения газа в турбине давление газа на выходе из турбины меньше, чем в ТРД, и в ряде случаев меньше атмосферного.

В ТВД целесообразно повышать температуру газа перед турбиной как с точки зрения увеличения мощности двигателя, так и с точки зрения повышения его экономичности.

Основные эксплуатационные параметры и режимы работы двигателя Аи-24:

Технические данные турбиновинтового двигателя АИ-24

Направление вращения воздушного винта и ротора двигателя (если смотреть по направлению полета) — левое.

Редуктор — планетарный, с датчиком флюгирования по отрицательной тяге и измерителем крутящего момента.

Тип датчика флюгирования по отрицательной тяге – гидромеханический.

Измеритель крутящего момента (ИКМ) на валу винта — гидравлический

Винтовая мощность, замеренная ИКМ = 27,09 Рикм *, л.с.

1. Одновременный постоянный и эпизодический отбор воздуха допускается на режимах работы двигателя от максимального и ниже.

2. На взлетном режиме в условиях возможного обледенения разрешается производить отбор воздуха на обогрев ВНА и воздухозаборника двигателя.

3. В условиях возможного обледенения при уходе самолета на второй круг или в полете с одним работающим двигателем при отказе другого двигателя разрешается работа исправного двигателя на взлетном режиме при включенной системе отбора воздуха на противообледенительную систему крыла, оперения, ВНА, воздухозаборника и систему кондиционирования.

4. Мощность и экономичность двигателя при включенной системе отбора воздуха может не соответствовать основным техническим данным.

5. Количество отбираемого воздуха сохраняется до высоты 6000 м; выше этой высоты количество отбираемого воздуха уменьшается пропорционально плотности атмосферного воздуха.

6. Камера сгорания – кольцевая, количество головок в камере сгорания — 8

7. Турбина – осевая, количество ступеней — 3

8. Тип реактивного сопла – нерегулируемое.

9. Часовой расход масла — не более 0,6 кг/ч

Режимы работы двигателя АИ-24 представлены в таблице 1.

Режим работы двигателя АИ-24

1. Частоты вращения двигателя соответствуют 15187 об/мин.

2. В случае полета с одним работающим двигателем допускается его непрерывная работа на взлетном режиме не более 90 мин.

3. При возникновении отрицательных перегрузок в полете допускается падение давления масла ниже 3,5 кгс/см2.

4. Максимально допустимая температура газов за турбиной при запуске в воздухе не должна превышать 700 °С, а заброс частоты вращения не должен быть более 110 %.

5. При изменении режима работы двигателя допускается кратковременное (не более 10 с) уменьшение частоты вращения до 98 %, при этом во всех случаях увеличение частоты вращения не должно превышать 110 %.

6. Максимально допустимая температура газа за турбиной при запуске не более 750°С

7. Максимально допустимое увеличение частоты вращения двигателя при пробе приемистости 110 % (16700 об/мин)

8. Габаритные размеры двигателя, мм:

9. Сухая масса двигателя, кг — 600 2%

10. Система смазки — циркуляционная, под давлением

11. Масляный агрегат:

-условное обозначение — МА-24

-тип — шестеренчатый, пятисекционный

-передаточное число — 0,4468

-направление вращения – правое

12. Масляный насос измерителя крутящего момента:

-условное обозначение — МИКМ-24

-передаточное число — 0,29188

-направление вращения – правое

Основные эксплуатационные параметры и режимы работы двигателя ТВ2-117(ТВ3-117).

Условное обозначение двигателя ТВ2-117А

Тип двигателя турбовинтовой, со свободной турбиной

Направление вращения роторов (смотреть по полету) компрессора, турбины компрессора, и свободной турбины — левое

Компрессор – осевой, количество ступеней – 10, количество клапанов перепуска воздуха — 2

Отбор воздуха из компрессора для систем вертолета:

Камера сгорания кольцевая, с восемью головками для форсунок

Турбина компрессора осевая, двухступенчатая

Свободная турбина осевая, двухступенчатая

Выхлопная система нерегулируемая, выхлоп через патрубок под углом 60° к оси двигателя

Сухая масса двигателя — 330 кг 2%, не более

— длина с агрегатами и выхлопным патрубком — не более 2843 мм

— ширина — не более 550 мм

— высота — не более 748 мм

Допустимое время непрерывной работы двигателя (не более):

— на взлетном режиме — 6 мин

— на номинальном режиме — 60 мин

— на крейсерском режиме — без ограничений

— на малом газе — 20 мин

Основные данные вертолетных газотурбинных двигателей

Вывод: газотурбинный двигатель, у которого турбина развивает большую мощность, чем требуется для вращения компрессора и избыточная мощность турбины передается на привод воздушного винта, называется турбовинтовым двигателем. Если избыточная мощность турбины передается на вал винта вертолета, двигатель называют турбовальным ГТД.

Особенность рабочего процесса ТВД по сравнению с рабочим процессом ТРД состоит в том, что вследствие большей степени расширения газа в турбине давление газа на выходе из турбины меньше, чем в ТРД, и в ряде случаев меньше атмосферного.

Конструктивные особенности ТВД и турбовальных ГТД обусловлены особенностями рабочего процесса и способа получения тяги. Компрессор и камера сгорания ТВД принципиально не отличаются от компрессора и камеры сгорания ТРД. Турбина ТВД срабатывает практически весь теплоперепад газа, поэтому число ступеней турбины — от 3 до 5.

На установившихся режимах работы ГТД все его параметры остаются неизменными, на переходных режимах, вызванных любыми управляющими или возмущающими воздействиями, параметры процессов в двигателе меняются во времени.

Основные эксплуатационные режимы работы авиационных гтд

В соответствии с основными требованиями, предъявляемыми к САУ (САР) должна обеспечить возможность работы двигателя на всех режимах его эксплуатации. Рассмотрим кратко перечень таких режимов и требования, которым должен удовлетворять двигатель на этих режимах.

Режим работы двигателя – это состояние работающего ГТД (в соответствии с ГОСТ 23851-79г.), характеризуемое совокупностью определенных значений тяги (мощности), а также параметров при принятом законе регулирования, определяющих происходящие в нем процессы, тепловую и динамическую напряженность его деталей

Режимы работы двигателя классифицируются по различным признакам:

— по назначению (рабочие или эксплуатационные, и нерабочие);

— близости к расчётному режиму (расчётные, нерасчётные, глубоко нерасчётные);

— характеру протекания во времени (установившиеся в соответствии с ГОСТ 23851-79г. – это режим работы ГТД, при котором его параметры не изменяются по времени; неустановившиеся в соответствии с ГОСТ 23851-79г. – это режим работы, при котором параметры ГТД изменяются по времени; переходные).

— реверсированный режим (режим обратной тяги) в соответствии с ГОСТ 23851-79г. – это установившийся режим работы ГТД, при включенном реверсивном устройстве. Используется при наличии на двигателе реверсивного устройства.

Наибольшее значение имеют, как правило, рабочие (эксплуатационные) режимы работы двигателя. Их название обычно отражает какую-либо функцию, выполняемую двигателем на летательном аппарате, например взлётный, номинальный (режим набора высоты), крейсерский (один из основных полётных режимов), режим полётного малого газа (снижение и заход летательного аппарата на посадку), режим земного малого газа (рулежка летательного аппарата по аэродрому).

Тяга, вырабатываемая двигателем, имеет диапазон от малого газа (МГ) до максимально сертифицированной тяги. В пределах этого диапазона создаются основные уровни тяги. Эти уровни тяги называют режимами работы двигателя. Уровень тяги задается пилотом с помощью положения РУД. А уровень тяги, устанавливаемый пилотом, находящийся между основными режимами, наз. установкой тяги (положение РУД).

Рассмотрим основные рабочие (эксплуатационные) установившиеся режимы, это:

§ Максимальный режим (MAX) < nmax=(101. 102) %> в соответствии с ГОСТ 23851-79г.- установившийся режим работы ГТД, характеризуемый максимальной тягой (мощностью) на земле или в полетев течение ограниченного времени. Целью регулирования двигателя на максимальных режимах работы двигателя является получение максимальной в данных условиях тяги, что достигается при максимальных расходе воздуха (максимальной частоте вращения роторов — nmax) и температуре газа в камере сгорания (Тг * max).

— взлете самолета доп = (5…10) мин, nвзл = (1,0. 0,98) nmax>;

На этом режиме двигатель имеет более низкую тягу и параметры рабочего процесса (ПРП) по сравнению с режимом (MAX). Режим используется, например, при наборе высоты;

Основной задачей регулирования двигателя на этом режиме является достижение наилучшей экономичности, т.е. выполнение условия (Суд→min). Время работы на таком режиме обычно не ограничивается, так как он является щадящим по величинам нагрузок на конструкцию. Основное назначение этого режима – использование в длительном полете;

— режим земного (минимального) малого газа (ЗМГ) змг=(0,03…0,05) Рmax> в соответствии с ГОСТ 23851-79г. – это установившийся режим работы ГТД на земле при минимальной частоте вращения и тяги (мощности) при которых обеспечивается его устойчивая работа и заданная приемистость.

К режиму, являющемуся минимально устойчивым режимом работы двигателя на земле, предъявляется требование получения минимальной тяги при параметрах режима работы двигателя, обеспечивающих заданное время приемистости при необходимых запасах газодинамической устойчивости компрессора и камеры сгорания.

Требования к величине тяги на режиме (ЗМГ) вытекают из условий руления самолета на аэродроме, где повышенная тяга приводит к более интенсивному износу тормозных устройств, протекторов колес. Время работы на таком режиме может быть ограничено по условиям сохранения требуемого теплового состояния узлов двигателя в связи с ухудшением охлаждения;

— режим полетного (высокого) малого газа (ПМГ) в соответствии с ГОСТ 23851-79г. – это установившийся режим работы ГТД при минимально допустимой частоте вращения ротора, обеспечивающей требуемую приемистость и величину тяги при заходе на посадку.

Это минимальный по тяге режим работы двигателя в полете. Величина тяги на режимах (ПМГ) должна обеспечивать необходимую маневренность и посадочные характеристики самолета. В том числе и время приемистости. Она зависит от типа и характеристик самолета, и, например, для сверхзвуковых самолетов параметры режима (ПМГ) должны выбираться с учетом необходимости сохранения газодинамической устойчивости воздухозаборника, когда ограничение хода регулирующих органов воздухозаборника сокращает диапазон дросселирования двигателя.

P.S. В основном величина частоты вращения на малом газе не является постоянной. Она увеличивается с уменьшением плотности воздуха. У двигателей с системой FADEC минимальная частота на МГ обычно является фиксированной величиной в широком диапазоне температур наружного воздуха.

Переключение между ПМГ и ЗМГ осуществляется благодаря логике системы «воздух – земля».

§ Полный форсированный режим (ПФ).

На этом режиме достигается наибольшая тяга двигателя, имеющего форсажную камеру сгорания. Здесь расход топлива в форсажной камере является максимальным, как и температура газа в ней. На режиме (ПФ) поддерживается и максимальный режим работы газогенератора (Тг*=Тг*max, n=nmax), в связи, с чем время использования такого режима ограничено. Он применяется на таких участках полета, как взлет, разгон, маневрирование.

§ Частичный форсированный режим (ЧФ).

Отличается от режима (ПФ) меньшей величиной тяги. Он может быть реализован как при максимальном, так и при пониженном режиме работы газогенератора. Область использования режима (ЧФ) – длительный сверхзвуковой полет, маневрирование. Допустимая длительность работы на этом режиме зависит от используемого режима работы газогенератора.

§ Режим минимального форсирования (МФ).

Выбирается так, чтобы устойчивая работа форсажной камеры обеспечивалась при минимально возможном отличии тяги на режиме (МФ) от тяги на режиме (MAX). Это позволяет приблизить к монотонной зависимости тяги от положения рычага управления двигателем (РУД), что облегчает процесс управления полетом.

§ Чрезвычайный режим (ЧР).

На этом режиме путем кратковременного увеличения значений параметров рабочего процесса (ПРП) достигают соответствующего увеличения тяги. Здесь: Р > Рmax, (или Р > Рпф), Тг* > Тmax*. Применение такого режима может быть связано с необходимостью решения задач полета в экстремальных ситуациях, например, при отказе одного двигателя.

Рассмотрим переходные режимы работы двигателя, это режимы:

— запуска (в соответствии с ГОСТ 23851-79г. – это неустановившийся режим работы ГТД, характеризуемый процессом раскрутки его ротора (роторов) от неподвижного состояния или режима вращения авторотации до выхода двигателя на режим МГ или минимально устойчивый режим работы для двигателей, не имеющих режим малого газа);

— приемистости (в соответствии с ГОСТ 23851-79г. – это процесс быстрого увеличения тяги (мощности) ГТД за счет увеличения подачи топлива при резком перемещении РУД);

— сброса газа (в соответствии с ГОСТ 23851-79г. – это процесс быстрого уменьшения тяги (мощности) ГТД вследствие уменьшения подачи топлива при резком перемещении РУД);

— дросселирование ГТД (в соответствии с ГОСТ 23851-79г. – это процесс быстрого уменьшения тяги (мощности) ГТД вследствие уменьшения подачи топлива при медленном и плавном перемещении РУД);

— включения и выключения форсажа.

Показатели качества переходных режимов определяют динамические свойства двигателя, характеризующие его возможности по времени изменения тяги в заданном диапазоне, а также влияют на его ресурс.

Режим приемистости (в соответствии с ГОСТ 23851-79г.) является процессом быстрого увеличения тяги (мощности) ГТД за счет повышения расхода топлива при быстром перемещении РУД (время перемещения не более 0,5 с). В качестве основной характеристики этого режима рассматривается его длительность, определяемая временем достижении 95% величины тяги, соответствующей новому установившемуся режиму (или 98…99% величин частот вращения роторов).

Режим сброса газа является характеристикой способности двигателя уменьшать тягу.

Номинальные режимы работы двигателей

Особенности тепловых процессов двигателей вынуждают устанавливать для них различные номинальные данные применительно к существующим режимам работы электроприводов. Двигатели выпускают для работы в режимах: продолжительный, кратковременный, повторно-кратковременный и перемежающийся.

Для двух последних режимов предусмотрено по две модификации, учитывающие частоту пусков, электрическое торможение, изменение направления вращения, переход от одной скорости к другой, т.е. факторов, вызывающих значительные потери энергии в двигателях, что приводит к их существенному нагреву (табл. 1.2).

Таблица 1.2. Предельные допустимые превышения температуры частей электрических машин

Этим режимам присвоены буквенные обозначения от S1 до S8.

Продолжительный номинальный режим работы двигателя S1 характерен длительной неизменной номинальной нагрузкой, обуславливающей превышение температуры всех частей электрической машины до установившихся значений при неизменной температуре охлаждающей среды (рис. 7, а).

Кратковременный номинальный режим работы двигателя S2 протекает при неизменной номинальной нагрузке с продолжительностью, не достаточной для превышения температуры всех частей электрической машины до установившихся значений при неизменной температуре охлаждающей среды, после чего следует остановка, длительность которой достаточная для охлаждения машины до практически холодного состояния (рис. 7, б).

Для этого режима предусмотрены стандартные длительности периода неизменной номинальной нагрузки 10, 30, 60, 90 мин.

Повторно-кратковременный номинальный режим работы двигателя S3 отличается от кратковременного режима тем, что кратковременные периоды неизменной номинальной нагрузки чередуются с короткими периодами отключения машины, в результате чего превышения температуры отдельных частей двигателя не могут достичь установившихся значений при неизменной температуре охлаждающей среды (рис. 7, в). Этот режим характеризуют относительной продолжительностью включения

где

— время работы;

— длительность паузы.

−кратковременного режима предусмотрена стандартная относительная продолжительность включения 15, 25, 40, 60%, а длительность одного цикла, определяемая суммарным временем работы и паузы, установлена 10 мин. В этом режиме пусковые потери практически не оказывают заметного влияния на превышение температуры отдельных частей машины.

Повторно-кратковременный номинальный режим работы двигателя счастыми пусками S4 отличается от повторно-кратковременного режима тем, что пусковые потери оказывают существенное влияние на превышения температуры отдельных частей машины (рис. 7, г). Этот режим характеризуют относительной продолжительностью включения, числом пусков в час и коэффициентом инерции.

Относительную продолжительность включения рассчитывают по формуле

где

— время пуска;

— время работы;

— длительность паузы.

Этому режиму соответствует стандартная относительная продолжительность включения 15, 25, 40, 60%, число включений в час 30, 60, 120, 240 при коэффициенте инерции 1,2; 1,6; 2,0; 2,5; 4,0; 6,3; 10,0.

Повторно-кратковременный номинальный режим работы двигателя с частыми пусками и электрическим торможением S5 характерен тем, что периоды пуска, кратковременной неизменной номинальной нагрузки и электрического торможения чередуются с периодами отключения машины, в результате чего превышения температуры отдельных частей электрической машины не могут достичь установившихся значений при неизменной температуре охлаждающей среды, а пусковые потери и потери электрического торможения оказывают существенное влияние на превышения температуры отдельных частей машины (рис. 1.7, д). Для этого режима задают:

— относительную продолжительность включения;

— число пусков в час;

Рис. 1.7. Нагрузочные диаграммы мощности, графики потерь и температуры при номинальных режимах:

а – продолжительном;

б – кратковременном;

в – повторно-кратковре-менном;

г – повторно-кратковре-менном с частыми пусками;

д – повторно-кратковре-менном с частыми пусками и электрическим торможением;

е – перемежающимся;

ж – перемежающимся с частыми реверсами при электрическом торможении;

з – перемежающимся с тремя скоростями и график скорости.

Относительную продолжительность включения находят по формуле

где

— время пуска;

— время работы;

— время электрического торможения;

— длительность паузы.

Рассматриваемому режиму соответствует стандартная относительная продолжительность включения 15, 25, 40, 60%, число включений в час 30, 60,120, 240 при коэффициенте инерции 1,2; 1,6; 2,0; 2,5; 4,0.

Перемежающийся номинальный режим работы двигателя S6 протекает при кратковременной неизменной номинальной нагрузке, чередующейся с незначительными по длительности периодами холостого хода, в результате чего превышения температуры отдельных частей электрической машины не могут достичь установившихся значений при неизменной температуре охлаждающей среды (рис. 1.7, е). Этот режим характеризуют относительной продолжительностью нагрузки

где

– время работы;

— время холостого хода.

—температуры отдельных частей машины (рис. 1.7, ж). Для рассматриваемого режима задают число реверсов в час – 30, 60, 120, 240 и коэффициент инерции – 1,2; 1,6; 2,0; 2,5; 4,0.

Перемежающийся номинальный режим работы двигателя с двумя и более скоростями S8протекает при чередовании периодов неизменной номинальной нагрузки с одной скоростью с периодами работы на другой скорости при соответствующей ей неизменной номинальной нагрузке.

Кратковременность рабочих периодов на каждой скорости не обеспечивает превышений температуры отдельных частей электрической машины до установившихся значений при неизменной температуре окружающей среды, а потери при переходе от одной скорости к другой оказывают существенное влияние на превышения температуры отдельных частей машины (рис. 1.

где

— время разгона;

— время работы;

— время электрического торможения.

Число стандартных циклов в час – 30, 60, 120, 240 при коэффициенте инерции 1,2; 1,6; 2,0; 2,5; 4,0.

Номинальный режим работы двигателя приводят на его табличке в виде условного обозначения самого режима и характеризующих его величин. Например: S1;S2 – 30 мин; S3 – 25%;

S5=40%, 120 включений в час, FI – 1,6; S6 – 25%; S7 – 240 включений в час, FI – 4,0;

S8 – 30 включений в час, FI – 2,5; 22 кВт, 740 об/мин, 40%; 55 кВт, 1470 об/мин, 60%.