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). Переходные режимы подразделяются на медленные и быстрые. При использовании пусковых устройств определенную группу переходных режимов составляют так называемые пусковые режимы;

- 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). В пределах каждой группы эксплуатационных режимов могут выделяться максимальные, минимальные и промежуточные режимы, как, например, минимальный, максимальный и промежуточные крейсерские режимы

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) { n_max=(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 - n_max) и температуре газа в камере сгорания (Т_г ^*_max). На этом режиме тепловые и механические нагрузки на конструкцию близки к предельным, в связи, с чем время работы двигателя ограничено и составляет (10…20)%. Режим (MAX) используется при:

- взлете самолета {t_доп = (5…10) мин, n_взл = (1,0...0,98) n_max};

- разгоне;

- маневрировании.

§ Номинальный режим (НОМ) {Рдв = (0,85…0,95) Рmax}.

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

§ Крейсерский режим (КР) {Ркр = (0,5…0,8) Рmax, n = (0,7...0,9) max}.

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 малого газа (МГ) {tдоп=(10…15)мин, nмг=(0,2...0,4) nвзл, Рмг≤(3…5)% Рвзл}:

- режим земного (минимального) малого газа (ЗМГ) {Р_змг=(0,03…0,05) Р_max} 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). Как правило, нормируется время приемистости в трех диапазонах изменения тяги: от режима (МГ) до режима (MAX), от режима (MAX) до режима (ПФ) и от режима (МГ) до режима (ПФ).

Режим сброса газа является характеристикой способности двигателя уменьшать тягу.