Полянский А.Р. - Изучение конструкций авиационных турбовинтовых двигателей АИ-20 и АИ-24, страница 2

1) высокую надежность, т. е. безотказную работу на протяжении всего технического ресурса;

2) высокую экономичность за счет минимального удельного расхода топлива, большого ресурса, малого объема регламентных работ и низкой стоимости изготовления и ремонта;

3) технологичность эксплуатации, т. е. удобство и простоту технического обслуживания;

4) удовлетворение технических требований к данной конструкции самолета: мощности (тяги), удельного веса, удельной лобовой мощности и др.;

5) простоту управления при наличии хорошей приемистости;

6) допустимый уровень вибраций;

7) совершенное автоматическое регулирование и устойчивое поддержание режимов работы двигателя с выдачей строго заданных параметров на протяжении всего полета до посадки в порту назначения.

Газовоздушный тракт турбовинтового двигателя (ТВД) образован:

а) входным устройством, в котором во время полета происходит поджатие воздуха;

б) компрессором, в котором происходит сжатие рабочего тела - воздуха;

в) камерой сгорания, в которой за счет преобразования химической энергии топлива в тепловую происходит подогрев воздуха;

г) турбиной, в которой основная часть теплосодержания газа преобразуется в механическую работу, используемую для вращения компрессора, воздушного винта и привода агрегатов;

д) выходным устройством, в котором оставшаяся энергия газа используется для создания реактивной тяги.

Таким образом, ТВД представляет собой двигатель, у которого тяга создается работой воздушного винта и силой реакции газовой струи, вытекающей из выходного устройства.

Протекание термодинамических процессов в ТВД характеризуется давлением, температурой и скоростью воздуха (газа).

ИЗМЕНЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ ГАЗА ПО ТРАКТУ

На рис. 2 показана принципиальная схема двигателя и примерное изменение параметров газа по его тракту при работе на стенде. Основные элементы двигателя ограничены следующими характерными сечениями:

Рис. 2. Схема двигателя и изменение параметров воздуха и газа по его тракту

ПАРАМЕТРЫ, ХАРАКТЕРИЗУЮЩИЕ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫЕ КАЧЕСТВА ДВИГАТЕЛЯ

Надежность работы двигателей при всех возможных эксплуатационных условиях является решающим требованием для двигателей, устанавливаемых на самолетах гражданской авиации. Это объясняется тем, что двигатель является источником энергии, используемой для передвижения самолета и приведения в действие основных самолетных систем (гидрогазовой, высотной, воздушной и др.), обеспечивающих надежную эксплуатацию самолета в полете. Двигатель должен надежно работать в широком интервале изменения температуры окружающей среды {t= ±60°С) и в условиях высокой влажности.

Для двигателей, устанавливаемых на самолетах гражданской авиации, ресурс является одним из важнейших параметров, увеличение которого существенно снижает себестоимость тонно-километра, а, значит, повышает технико-экономическую рентабельность самолета. Различают несколько понятий ресурса:

Гарантийный ресурс — продолжительность работы двигателя (в часах), на протяжении которого заводом-изготовителем или ремонтным заводом гражданской авиации в случаях неисправности нового или отремонтированного двигателя возмещаются убытки и неустойки, вытекающие из поставки продукции не надлежащего качества.

Межремонтный ресурс — увеличенная по сравнению с гарантийным ресурсом продолжительность надежной работы нового или отремонтированного двигателя (в часах), устанавливаемая на основании стендовых, летных и других видов исследования, эксплуатационных испытаний и обобщения опыта массовой эксплуатации и ремонта двигателей. После отработки межремонтного ресурса двигатель подлежит ремонту, если он не отработал общего технического ресурса.

Общий технический ресурс — суммарная продолжительность надежной работы двигателя (в часах) до такой степени износа, при которой дальнейшее восстановление его путем ремонта экономически нецелесообразно или технически невозможно. После отработки общего технического ресурса изделие подлежит списанию.

Приемистость — это способность двигателя быстро и надежно переходить с одного режима на другой. Для двигателя серии АИ время полной приемистости составляет не более 20 сек. Это означает, что при переводе рычага управления двигателем за 3—4 сек из положения «Малый газ» в положение «Взлёт» подача топлива, соответствующая взлетному режиму, устанавливается за время до 20 сек. Такое притормаживание подачи топлива необходимо, чтобы не допустить быстрого роста температуры газов и связанного с этим возникновения температурного перепада на деталях камеры сгорания и турбины.

Хорошая приемистость двигателя особенно важна при неточном расчете на посадку и необходимости ухода самолета на второй круг и при взлете самолета на пониженных режимах.

Удобство технического обслуживания двигателя в условиях эксплуатации обеспечивается легким и надежным запуском, сокращением регламентных работ и их трудоемкости и допустимым уровнем шума при работе.

Пожарная безопасность при работе двигателя обеспечивается надежной системой суфлирования, надежными уплотнениями приводов агрегатов и разъемов и наличием совершенной противопожарной системы.

Эксплуатационные параметры должны рассматриваться наравне с удельными параметрами двигателя, так как играют большую роль при оценке качества двигателя.

УДЕЛЬНЫЕ ПАРАМЕТРЫ

Удельная эквивалентная мощность (N_ЭКВ.yд) представляет собой отношение эквивалентной мощности к секундному расходу воздуха:

Nэкв.уд = Nэкв/Gв.

Чем больше Nэкв.уд при заданной Nэкв, тем меньше G_B и, следовательно, меньше диаметральные размеры и вес двигателя. Для АИ-20 Nэкв.уд = 200 л. с/(кг/сек) на взлетном режиме.

Удельная масса двигателя (γ_дв) представляет собой отношение сухой массы двигателя к эквивалентной мощности, причем в отдельных случаях γ_дв определяют с учетом массы воздушного винта:

γ_дв=G_дв/ Nэкв.

Двигатель с малой удельной массой позволяет либо создать компактный самолет, либо увеличить его полезную нагрузку или радиус полета, либо получить выгодную комбинацию всех трех факторов. Для двигателя АИ-20 γ_дв= 0,25 кг/л. с. (0,36 кг/л. с. с учетом веса воздушного винта) на взлетном режиме.

Эквивалентный удельный расход топлива (с_уд.экв) представляет собой отношение часового расхода топлива к эквивалентной мощности:

c_уд.экв=Gт/ Nэкв.

Чем меньше c_уд.экв, тем больше дальность и продолжительность полета при прочих равных условиях. Для АИ-20 с_{уд. экв} = 0,267 кг/(л. с.* ч) на взлетном режиме.

Удельная лобовая мощность (N_{yд. лоб}) представляет собой отношение эквивалентной мощности к лобовой площади:

N_{yд. лоб}= Nэкв/F.

Чем больше N_{yд. лоб} при заданной Nэкв, тем меньше поперечные размеры двигателя, тем меньше лобовое сопротивление самолета. Для АИ-20 N_{yд. лоб} = 3600 л. с./м².

ПРЕИМУЩЕСТВА И НЕДОСТАТКИ ТУРБОВИНТОВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ

Анализируя удельные параметры различных типов двигателей можно установить следующие преимущества ТВД:

1. На скоростях полета 600—800 км/ч ТВД имеют большую экономичность, т. е. самолеты с ТВД имеют большую дальность и продолжительность полета при прочих равных условиях по сравнению с самолетами с поршневыми и турбореактивными двигателями. При полетах на скоростях 600-800 км/ч на равные расстояния самолеты с турбовинтовыми двигателями по сравнению с самолетами с поршневыми и турбореактивными двигателями могут перевезти больше полезной (коммерческой) нагрузки.

2. При одном и том же расходе воздуха и при одинаковых газодинамических параметрах, ТВД развивает на взлете почти вдвое большую тягу, чем ТРД. У самолетов с ТВД имеется возможность создания отрицательной тяги (торможения) при пробеге самолета в момент посадки. Вышеуказанные особенности ТВД обеспечивают существенное (почти в 2 раза) сокращение взлетно-посадочных полос аэродромов.

3. Удельная масса ТВД примерно равна удельной массе ТРД и значительно меньше, чем у поршневых двигателей. Это означает, что при одинаковой энерговооруженности самолеты с ТВД могут поднять больше полезной нагрузки по сравнению с самолетами с поршневыми двигателями, а при одинаковом весе силовых установок самолеты с ТВД имеют большую энергово­оруженность, т. е. большую скороподъемность и скорость полета.

4. Удельная лобовая мощность турбовинтовых двигателей больше, чем у поршневых и турбореактивных. Это значит, что при одинаковой мощности, передаваемой на винт, ТВД будут иметь меньшие поперечные размеры, чем поршневые двигатели, и их легче будет разместить на самолете в аэродинамическом отношении (уменьшится сопротивление самолета).

Таким образом, на скоростях полета 600-800 км/ч турбовин­товые двигатели являются более совершенными, чем турбореак­тивные и поршневые.

Однако турбовинтовые двигатели имеют сложную автомати­ку регулирования «Регулятор - Винт» особенно в полете, так как допускают возможность появления отрицательной тяги в полете; сложны по конструкции из-за наличия редуктора, винта и многоступенчатой турбины; не допускают форсирования ско­рости полета из-за падения к.п.д. с увеличением скорости; требуют более мощных источников запуска.

В связи с вышеуказанными недостатками ТВД, в настоящее время наметилась тенденция к разработке и установке на само­леты более совершенных двухконтурных ТРД (ДТРД).

ОСНОВНЫЕ ТЕХНИЧЕСКИЕ ДАННЫЕ ДВИГАТЕЛЯ

л

КОМПРЕССОР