Управление тягой авиационных газотурбинных двигателей: концепция, параметры и их смысл

Если вы ничего не знаете об авиационных газотрубинных двигателях, то, перед прочтением, рекомендую ознакомиться с моей статьей про ГТД, которую я писал здесь несколько лет назад. Иначе будут встречаться непонятные слова без объяснений.

Я долго думал с чего начать эту тему, и решил начать нестандартно: давайте посмотрим, какие основные параметры видит перед собой пилот в кабине. На примере одного из наиболее распространенного в мире самолета Airbus A320. Он может быть оборудован турбореактивными двухконтурными двигателями CFM56-5B либо IAE V2500. Рассмотрим оба варианта, начнем с CFM 56. Выводятся эти параметры на дисплей E/WD (Engine/Warning Display)

Итак, что мы видим на дисплее по порядку:

• Обороты ротора низкого давления, обозначаемое на всех современных самолетах как N1, выраженное в процентах. Если сказать проще – это обороты вентилятора и компрессора низкого давления;

• Температура газов, обозначаемая как EGT (Exhaust gas temperature). Замеряется за турбиной высокого давления;

• Обороты ротора высокого давления, обозначение N2 в процентах – обороты компрессора высокого давления;

• Массовый расход топлива в данный момент – обозначает сколько керосина в данный момент съедает двигатель, выражается в кг/час.

На этом двигателе, как и на многих (но не на всех), параметр N1 является ключевым, именно по нему в нормальном режиме происходит управление тягой двигателя. Регулировать тягу двигателя, при прочих равных условиях, можно только одним способом – изменяя расход топлива, то есть обеспечивая больший или меньший подвод энергии (тепла) в камере сгорания. Делает это либо автомат тяги, либо пилот, управляя рычагами управления двигателями (РУДы). В зависимости от расхода топлива, и, как следствие, изменения расхода воздуха через двигатель, меняется и температура EGT. Она нам ещё пригодится, чуть позже.

N2 в данной статье рассматривать не будем. Роторы высокого и низкого давлений связаны только газодинамически, и в нормальном полете носит по большей части информационный характер.

А теперь давайте рассмотри индикацию от второго двигателя: IAE V2500, сравним её с прошлым рисунком:

Индикация параметров IAE V2500 на Engine/Warning Display

Если внимательно посмотреть, то разница будет лишь одна – здесь появился дополнительный параметр EPR (Engine Pressure Ratio), что стоит выше всех. И для данного двигателя именно этот параметр является ключевым, а не N1. Таких двигателей тоже немало, как примеры, двигатели Pratt & Whitney PW2037 от Boeing B757, Rolls Royce RB211 (B757, B767) и многие другие.

Что же это за EPR такой? EPR это отношение давления рабочего тела (газа) на выходе из двигателя (сопла) к давлению рабочего тела перед входом в компрессор. Выражается в безразмерной величине.  

А теперь о сути и разнице EPR и N1 «в использовании».

Вообще, самым главным параметров турбореактивного двигателя является его тяга. Тяга – это сила, замеряемая в ньютонах. И именно для создания тяги двигатель на самолете и нужен. И задача того же автомата тяги состоит в том, чтобы задать двигателю необходимую тягу для конкретного этапа полета. Но проблема в том, что произвести замер тяги двигателя напрямую в полете невозможно. Поэтому используют косвенные параметры. Наиболее подходящими выбрали N1 и EPR – оба они косвенно характеризуют тягу двигателя. Теоретически, для этого можно использовать и другие параметры – N2 (и используют, как резервный метод) и, теоретически, даже EGT, но тут пришлось бы учитывать очень много дополнительных факторов, вплоть до степени износа узлов двигателя, что на практике крайне затруднительно, поэтому не используется.

Прежде чем говорить о разнице N1 и EPR в эксплуатации, посмотрим, как влияют атмосферные условия на работу двигателя. На работу двигателя значительно влияют температура воздуха и атмосферное давление. Чтобы сильно не размазывать статью, рассмотрим влияние только температуры. Разницу посмотрим на примере Rolls Royce RB211 от Боинга 757-200 (потому что мне больше нравятся таблицы от него).

Так как воздух является рабочим телом в компрессоре газотурбинного двигателя, его температура перед входом в двигатель обладает сильным влиянием на работу двигателя. Изменение температуры на даже на 10 градусов значительно сказывается на такие параметры, как тяга двигателя и расход топлива как в лучшую, так и в худшую стороны, а иногда, в жарких метеоусловиях, и вовсе сильно ограничить применимость летательного аппарата.

При постоянных оборотах компрессора, при снижении температуры окружающей среды, массовый расход воздуха увеличивается, так как при понижении температуры растет плотность воздуха. Увеличение расхода воздуха через компрессор приводит к увеличению тяги двигателя.

Плотность воздуха зависит от абсолютного давления и температуры:

,

где p – абсолютное давление;

— удельная газовая постоянная;

— абсолютная температура.

В нашем случае давление принимаем постоянным, поэтому на плотность будет влиять только температура.

Понижение температуры воздуха увеличивает степень повышения давления в компрессоре и степень подогрева воздуха в двигателе, из-за этого возрастает удельная тяга. Увеличение степени повышения давления, степени подогрева воздуха и термического КПД так же приводит к уменьшению удельного расхода топлива.

Ниже изображена дроссельная характеристика, на которой можно увидеть, как изменяются тяга и удельный расход топлива при разных температурах воздуха.

На следующем рисунке показан переход рабочей точки в сторону возрастания и (расход воздуха приведенный) Это происходит, потому что при уменьшении температуры воздуха приведенные обороты увеличиваются: . Под словом приведенный имеется в виду приведенный к стандартным условиям.

Современные реактивные ГТД выполнены по концепции «flat rated». Суть этой концепции в том, что система управления двигателем, вне зависимости от внешних условий, должна обеспечивать определенную постоянную тягу (на которую он сертифицирован, и которая ему задана), но делать это она может только до определенной температуры окружающего воздуха. Часто этой пороговой температурой становится +30 градусов Цельсия. При дальнейшем увеличении температуры воздуха, поддерживаемая тяга начинает пропорционально уменьшаться. Связано это с тем, при поддержании изначальной тяги при высоких температурах воздуха, температура газов EGT приближается к предельно допустимым, и необходимо прекратить её дальнейший рост, а значит автоматика будет ограничивать подачу топлива, что будет снижать обороты компрессора. В следствии того, что при высоких температурах становится невозможно поддерживать высокий уровень тяги, накладываются ограничения по условиям эксплуатации ЛА в целом: для взлета требуется полоса большей длины, приходится уменьшать взлетную массу в ущерб коммерческой нагрузке, либо количеству топлива на борту (уменьшение дальности полета).Схематично параметры при увеличении температуры будут меняться как показано на рисунке ниже.

И так, вернемся к двигателю Rolls-Royce RB211. В нормальном режиме он управляется по параметру EPR. Ниже приведены зависимости EPR от атмосферных условий для взлетного режима для этого двигателя.

Так как мы не рассматриваем влияние атмосферного давления, то сравним значения EPR при стандартном давлении (второй столбик значений EPR). Видно, что при росте температуры до 25 градусов Цельсия EPR остается постоянным 1,72. Начиная с 30 градусов, значения начинают падать и при +70 Цельсия EPR составляет всего 1,47, что связано, как было сказано выше, со слишком большой температурной нагрузкой на двигатель, высокой нагрузкой по оборотам на роторы, при таких высоких температурах воздуха двигатель не может обеспечивать полную тягу.

Теперь рассмотрим зависимость N1 от атмосферных условий этого же двигателя. Управление по N1 происходит в резервном режиме. Аналогично предыдущему случаю, изменение давления не учитываем.

Обратим внимание на изменение оборотов от изменения температуры воздуха. При изменении температуры от -50 до +30 обороты будут увеличиваться от 86,4% до 100,3%. В этом диапазоне температур двигатель поддерживает постоянство тяги. При изменении температуры от +30 до +55 обороты начинают уменьшаться со 100,3% до 96,7%, — максимальную тягу безопасно для двигателя поддерживать невозможно, ограничивается расход топлива, обороты роторов уменьшаются, температура выхлопного газа поддерживается в пределах допустимой.

По этим таблицам можно сделать один занимательный вывод – на EPR не влияет температура воздуха окружающей среды. Это относительный параметр, который не нужно приводить к стандартным условиям. При одном и том же режиме работы двигателя, EPR будет одинаковый, что при -10 градусов, что при +25. С N1 такое не сработает, потому что при разных температурах для обеспечения одного и того же уровня тяги потребуются разные обороты.

Как по мне, EPR в большей степени отражает истинное значение тяги двигателя, тем не менее и EPR и N1 успешно применяются на практике, зависит от производителя двигателя.
Правда с кресла пилота N1 в процентах воспринимается глазом как-то более наглядно, чем коэффициент в виде «1.62», который сложнее в уме к чему-то привязать. Но тут ещё дело привычки.

Кстати, на советских двигателях, есть своего рода аналог параметру ERP, там управление шло по степени повышения давления в компрессоре . По сути тот же EPR, но в пределах компрессора, а не всего двигателя. Пример такого двигателя – Д-36, устанавливаемый на Як-42.

Как именно идет измерение параметров, какие датчики, агрегаты и электронные блоки установлены на двигателе, и как они между собой все связаны я напишу как-нибудь в другой раз.

А пока, вы можете подписаться на мой телеграм канал, где я — инженер по техническому обслуживанию воздушных судов рассказываю интересное о своей работе, как устроены самолеты, и как выполняется их техническое обслуживание.
t.me/ElephantoAvia

Рисунки с дроссельной характеристикой и переходом рабочей точки взяты из:
Испытания авиационных двигателей: Учебник для вузов / под общ. ред. В.А. Григорьева и А.С. Гишварова. – М.: Машиностроение, 2009. – 504 с.: ил.