Схемы и основные параметры выходных устройств

Назначение выходных устройств и предъявляемые к ним требования.

Основным назначением выходных устройств ГТД прямой реакции является преобразование части тепловой энергии (энтальпии) нагретого газа в кинетическую энергию его направленной струи. Таково же назначение и выходных устройств и ТВД или ТВВД. Назначением выходных устройств ТВаД является только отвод горячих газов, выходящих из турбины, в атмосферу. Кроме того, регулируемые выходные устройства могут быть использованы для управления режимами работы турбокомпрессорной части двигателя.

Выходные устройства состоят из ряда элементов. В зависимости от типа силовой установки и конкретных условий её работы ими могут быть: реактивное сопло или диффузорный газоотводящий патрубок, устройство для отклонениея вектора тяги, реверсивное устройство, система шумоглушения, средства снижения ИК излучения и др.

Основным элементом выходного устройства является реактивное сопло. Именно в нем завершается преобразование части тепловой энергии, подводимой к проходящему через двигатель воздуху, в кинетическую энергию направленного движения газовой струи, создающей при своем истечении реактивную тягу. За счет регулирования площади критического сечения сопла осуществляется управление режимами работы двигателя, поэтому площадь F_кр является одним из регулирующих факторов системы управления двигателя.

Выходные устройства отличаются большим разнообразием схем, что объясняется различием как типов летательных аппаратов, так и устанавливаемых на них двигателей. Разнообразие требований со стороны ЛА и двигателей обуславливает различия облика выходных устройств.

Основными требованиями, предъявляемыми к выходным устройствам силовых установок летательных аппаратов, являются:

- малые внутренние потери;

- минимальное внешнее сопротивление;

- низкий (допустимый по установленным нормам) уровень шума;

- эффективное реверсирование тяги (без потерь тяги при его выключении) на тех ЛА, где оно необходимо.

- надежность конструкции и простота эксплуатации.

Кроме того, к выходным устройствам ЛА военного назначения предъявляются дополнительные требования:

- низкий уровень ИК-излучения горячих частей сопла и двигателя;

- малая заметность для средств РЛО;

- возможность управления вектором тяги при взлете, посадке (для СВВП) и в условиях боевого маневрирования (для маневренных самолетов).

Схемы и основные параметры выходных устройств

Наиболее важным параметром, определяющим режим работы выходного устройства, является располагаемая степень понижения давления газа в реактивном сопле p_с.расп. Обозначим для общности полное давление перед соплом . Тогда

p_с.расп = .

Значения p_с.расп и диапазон их изменения зависят от типа двигателя, режима его работы, а также от скорости и высоты полета самолета.

Наиболее низкие значения p_с.расп имеют двигатели непрямой реакции: турбовальные, турбовинтовые и турбовинтовентиляторные. У них величины p_с.расп являются, как правило, докритическими. Поэтому в качестве выходных устройств этих двигателей применяются сужающиеся сопла, либо газоотводящие каналы диффузорного типа. Двухконтурные двигатели для дозвуковых самолетов имеют несколько большие значения p_с.расп. Для сопел наружного контура они на взлете составляют 1,4…1,8, а в полете при Н=11км – не превышают 2,2…2,8. Для внутреннего контура этих ТРДД p_с.расп являются еще более низкими. Для этих двигателей также применяются нерегулируемые сужающиеся сопла, отличающиеся простотой конструкции и малой массой.

Для самолетов, имеющих максимальные скорости полета, соответствующие M_н=1,7…3,0, на которых устанавливаются ТРДФ или ТРДДФсм, значения p_с.расп в стартовых условиях достигают 2,5…3,0, т.е. они превышают критические значения. Их величины существенно увеличиваются с ростом числа M и высоты полета Н (до 11 км) и могут достигать значений порядка 15…20 и более. При таких p_с.расп сужающиеся сопла имеют большие потери из-за недорасширения газа. Возникает необходимость применения сверхзвуковых реактивных сопел

Рис.11.1. Схемы осесимметричных сверхзвуковых сопел

На рис.(а) представлена схема сверхзвукового регулируемого реактивного сопла сопла Лаваля. Оно может быть осесимметричным или плоским. Такие сопла обычно имеют три комплекта регулируемых створок: звуковые (первичные), сверхзвуковые (вторичные) и внешние. Первичные створки 1, присоединенные шарнирно к обечайке 4, служат для регулирования площади F_кр, а вторичные створки 2, соединенные шарнирно со створками 1, – для регулирования степени понижения давления сопла. Внешние регулируемые створки 3 состоят обычно из отдельных гибких пластин, один коней которых зажат между обечайкой 4 и обтекателем гондолы 5, а другой – шарнирно соединен со створками 2. При прикрытии вторичных створок сопла 2 створки 3 изгибаются и образуют внешний контур плавной формы, чем достигается прикрытие донной полости и уменьшение внешнего сопротивления выходного устройства.

Газодинамическая схема профилированного сопла Лаваля и его основные сечения, принятые в теории ГТД, представлены на рис.(б). Площадями характерных сечений являются: F₀ - площадь входного сечения; F_кр - площадь критического сечения; F_с -площадь выходного сечения; F_М - площадь миделя. Расширительная способность сопла Лаваля характеризуется относительной площадью выходного сечения =F_с/F_кр.

Как известно из термодинамики, каждому значению параметра однозначно соответствует значение действительной степени понижения давления в сопле Лаваля

p_с = .

Если отношение площадей постоянно, то величина p_с остается неизменной в широком диапазоне изменения p_с.р . Для изменения p_с необходимо изменять .

В зависимости от соотношения p_с и p_с.р статическое давление в выходном сечении нерегулируемого сопла Лаваля р_с может быть большим, равным или меньшим атмосферного давления р_Н. При р_с>р_Н (p_с<p_с.р) сопло работает с недорасширением газа. В случае, когда р_с<р_Н (p_с>p_с.р), сопло работает с перерасширением. При р_с=р_Н (p_с=p_с.р) происходит полное расширение газа в сопле (расчетный режим течения). С ростом M_н величина увеличивается (пояснить, почему), поэтому для обеспечения p_с»p_с.расп необходимо увеличивать и параметр , т.е. раскрывать вторичные створки сопла с увеличением скорости полета.

При значительном перерасширении газа в сопле может возникнуть отрыв потока от внутренней поверхности сопла.

Рис.11.2. Плоское сопло с косым срезом: а) – схема; б) – расчетный режим; в) - pс < pс.расп

Так как процесс расширение газа в них на расчетном режиме протекает внутри сопла, их называют соплами с внутренним расширением.

Рассмотрим еще некоторые характерные разновидности схем сверхзвуковых реактивных сопел.

На рис. показана схема сопло с косым срезом.Оно имеет одну панель для внешнего расширения сверхзвукового потока 1, которая шарнирно соединена с обечайкой. Поворачивая эту панель, можно изменять расширительную способность косого среза. Для изменения площади F_кр служит регулируемая сворка 2. Сопло выполнено плоским – с боков имеются ограничивающие поток щёки.

Рис.11.3. Схема плоского регулируемого сопла с центральным телом

Стенку, ограничивающую сверхзвуковой поток снизу, заменяет жидкая линия тока (на участке к-с, рис. 11.2, б). При уменьшении степени понижения давления в сопле она изменяет свою форму (рис.11.2, в). За счет этого существенно снижается возможное перерасширение газа в сопле. Поскольку расширение газа за критическим сечением сопла происходит в условиях, когда течение его ограничено только одной обтекаемой поверхностью, такое сопло называется соплом с внешним расширением.

Частичное или полное внешнее расширение потока реализуется также всопле с центральным телом. Схема плоского регулируемого сопла с центральным телом показана на рис.11.3. Оно имеет только одну пару регулируемых створок 1 для изменения площади F_кр. За счет отсутствия ограничивающих сверхзвуковой поток створок площадь F_с и отношение площадей изменяются у этих сопел за счет искривления жидких линий тока (как в сопле с косым срезом).

На реактивных самолетах второго и третьего поколений широкое применение получили эжекторные сопла. Они отличаются от сопел Лаваля тем, что у них сверхзвуковой контур на некотором участке внутри сопла имеет разрыв, и твердую стенку заменяет жидкая линия тока. Для снижения потерь и в целях охлаждения элементов конструкции в эти сопла подается в небольших количествах (2…3% от G_вS) вторичный (эжектируемый) воздух G_в2. Этим устраняется показанные на рис. 11.4, а вверху циркуляционное течение и скачок уплотнения m-n в месте присоединения сверхзвуковой струи к профилированной обечайке (см.рис.11.4, а внизу). На рис.11.4, б показана схема эжекторного сопла самолета МиГ-23. Оно имеет регулируемые первичные створки 1, профилированную обечайку 2 и вторичные автоматически регулируемые под действием перепада давлений (автофлюгерные) створки 3. При больших M_н, в связи с увеличением p_с.р, створки 3 автоматически раскрываются, увеличивая , а при взлете и на малых скоростях полета, когда p_с.р снижается, створки 3 автоматически прикрываются, уменьшая и снижая перерасширение газа в сопле.

Помимо и , важным параметром выходного устройства является так называемая тяга реактивного сопла Р_с, равная

Р_с = G_гс_с + F_с(р_с– р_н). (11.3)

Для экспериментального определения Р_с при испытании моделей реактивных сопел подвод газа к соплу осуществляется ортогонально по отношению к его оси.

Плоские сопла

На самолетах четвертого поколения устанавливаются осесимметричные (круглые) сопла. Но сейчас для военной авиации активно разрабатываются плоские сопла (часть из схем которых бала рассмотрена выше), имеющие ряд преимуществ по сравнению с осесимметричными. Они содержат меньшее число регулируемых элементов, более просто обеспечивают отклонение и реверс тяги, обладают меньшими потерями, связанными с утечкой газов в местах сочленения створок. Сопла с внешним расширением, кроме того, имеют лучшие характеристики на нерасчетных режимах. Плоские сопла хорошо компонуются на летательном аппарате и в силу этого создают меньшее аэродинамическое сопротивление. Поворот реактивной струи вблизи задней кромки крыла на значительной части его размаха (при отклонении вектора тяги) создает эффект, подобный действию закрылков - :увеличивается подъемная сила крыла. Снижение ИК излучения, которое осуществляется блокировкой излучения от нагретых поверхностей, значительно легче осуществимо в плоских соплах за счет придания им формы сравнительно узких прямоугольников. Излучение же от струи в таких соплах снижается за счет более быстрого ее перемешивания со спутным потоком. Как показывают исследования, интенсивность ИК излучения в плоских соплах может быть уменьшена в 5…10 раз по сравнению с круглыми, что снижает дальность захвата самолета ИК головки самонаведения ракеты примерно в 2 раза.

Недостатками плоских сопел являются повышенный вес и некоторое увеличение внутренних гидравлических потерь.