книги / Теория, расчёт и проектирование авиационных двигателей и энергетических установок.-2
.pdf7.ВЫХОДНЫЕ УСТРОЙСТВА (ВУ) ВРД
7.1.Назначение, состав и требования к ВУ ВРД
ВУ ВРД в зависимости от типа двигателя предназначены для: частичного преобразования энтальпии газового потока в кинетическую энергию струи, истекающей из реактивного со пла (создание тяги); для согласования совместной работы узлов двигателя за счет изменения FKp реактивного сопла; для отвода
или направления отработанных газов в нужном направлении. Состав ВУ:
-реактивное сопло (PC);
-соединительные (удлинительные) трубы;
-устройства регулирования FKp и Fc;
-устройства реверса или девиации тяги;
-системы подачи воздуха для охлаждения элементов кон струкции ВУ.
Требования к ВУ:
-минимальные потери эффективной тяги;
-обеспечение высокой экономичности ВРД на всех режимах:
-малая масса и габариты;
-простота конструкции и регулирования.
7.2. Реактивное сопло
7.2.1. Назначение и выбор типа PC
PC является основной частью ВУ ВРД и предназначено для преобразования части энтальпии газового потока после ГТ в ки нетическую энергию струи газа, истекающей из двигателя (соз дания реактивной тяги).
Выбор типа PC (дозвуковое или сверхзвуковое) определя ется в первую очередь полной степенью расширения газа в PC -
Р ~~ Р т / Ри |
|
Величина |
зависит от типа ВРД, режима его работы |
и параметров полета. |
|
При дозвуковых скоростях полета у ТРД и ТРДД с сужаю щимся PC: л*п = 6...7 ( Я > 11 км ); < П= 2 ,5 ...3 ,0 (Я = 0).
Максимальная тя)-а двигателя с сужающимся PC Rmax дос тигается при
* c .n Л ( Рс Ри> Се СКп)>
г д е Дс.кр = |
■*г + О г |
= 1,86, при |
кг= 1,33. |
|
|
|||
|
v |
2 ) |
|
|
|
|
|
|
При |
я* п > л*.р |
сужающееся РС работает на режиме недо- |
||||||
расширения |
(рис. 7.1), то есть |
скорость |
сх = с кр достигается |
|||||
|
|
|
раньше |
выхода из РС (в сече |
||||
|
|
х(кр) |
|
нии х-х) |
при р х > рп В этом |
|||
|
|
случае |
дальнейший |
разгон по |
||||
|
|
|
||||||
|
|
|
тока до |
с > скр в сужающемся |
||||
|
|
IP^PHIP^PX |
|
|
|
|
||
|
|
|
РС |
|
|
|
||
|
|
|
невозможен, и на срезе сопла |
|||||
|
|
х(кр) |
скорость |
останется |
сс = скр, |
|||
|
|
|
а давление - р а > р х > р н |
|||||
Рис. 7.1. Работа дозвукового РС |
При |
незначительном пре |
||||||
на режиме недорасширения |
||||||||
|
|
|
|
|||||
|
|
|
вышении |
71* п > Я*р |
потери из- |
|||
за недорасширения невелики, поэтому выгодно применять су жающиеся сопла, отличающиеся простой конструкцией и малым весом.
Сужающиеся сопла применяются при полете на дозвуковых и малых сверхзвуковых ( М < 1,3) скоростях.
Так как температура на срезе РС Гс > Ти, то скорость исте
чения газа из PC схр - TJKRTC > а =^ KRTU скорости звука
в атмосфере, следовательно, на малых сверхзвуковых скоро стях полета удельная тяга Луд = скр - V > 0, где V =оМ , сле
довательно, R > 0, и разгон JIА до сверхзвуковой скорости воз можен.
При |
ясп » |
я*р потери из-за недорасширения в дозвуковом |
||||||||
PC существенно возрастают, и целесообразно применять сверх |
||||||||||
звуковое PC (сопло Лаваля). |
|
|
|
|
||||||
|
|
|
7.2.2. |
Сверхзвуковое PC |
|
|||||
Для |
увеличения |
тяги |
R |
|
|
|
||||
необходимо |
увеличивать |
Сс , |
|
кр |
с |
|||||
увеличивая степень расширения |
|
|||||||||
|
I |
I |
||||||||
газа в сопле |
пс , и сохранять |
|
|
|
||||||
при этом режим полного рас- |
|
|
|
|||||||
ширения |
( < |
расн = < „ ) . |
Этого |
|
|
|
||||
возможно добиться с помощью |
|
|
|
|||||||
сверхзвукового PC (рис. 7.2). |
|
|
|
|
||||||
При |
Яс рПСП> 71Кр , |
Якр — |
|
|
|
|||||
= Pj/plр |
реализуется |
уже |
Рис. 7.2. Серхзвуковое PC |
|||||||
в сужающейся |
части |
сверхзву |
||||||||
|
|
|
||||||||
кового PC. |
|
|
|
|
|
|
|
|
||
Так как я* |
= 1,86 = const, то суммарная степень понижения |
|||||||||
|
|
кр |
|
|
|
|
|
|
|
|
давления |
в сопле Лаваля |
я “расп = я ^ с в з |
будет |
определяться |
||||||
степенью понижения давления в его сверхзвуковой (расширяю щейся) части Ясвз *которая зависит от степени уширения сопла:
F c = |
(7.1) |
Максимальная тяга /?1ШХ достигается при |
равенстве |
я*расг, = я с„ , соответствующем расчетному режиму |
работы PC |
(Рс - Р» ) ; |
|
ПРИ л 1расп < К.п ( Р с > Р п ) ~ режим недорасширения; при п ’расп > п сп ( р с < р и) - режим перерасширения.
На нерасчетных режимах работы сверхзвукового PC, имеет место недополучение тяги двигателя. Особенно большие потери тяги наблюдаются на режиме перерасширения.
Для поддержания расчетного режима ( рс = р н) необходимо
регулировать величину Fz( F , Fc) при изменении режимов по
лета и работы ВРД.
7.2.3. Потери в дозвуковых РС
Потери в дозвуковых РС относительно невелики и вызва ны, в основном, трением газа о стенки сопла. Они оцениваются с помощью:
с
Фс = —— = 0,97...0,985 - коэффициента скорости (оцени- ^С.ПЛ
вает потери скорости в РС). Скорость истечения из реального дозвукового РС:
|
|
Кг*"“1 |
|
2Кг к т : 1 - |
|
Рс.ал ^ |
(7.2) |
Сс = ФсСс.а. : Фс кг -1 |
I |
Рт > |
|
|
|
ос =Щ-~ коэффициента сохранения полного давления в РС;
Рт |
|
|
с |
12 |
- КПД РС (оценивает потери кинетиче |
Лс = |
= Фс |
Сс.ад 12
ской энергии в РС).
Виды дополнительных потерь в дозвуковом РС:
-потери скорости из-за неравномерности распределения скоростей в выходном сечении РС;
-потери скорости из-за коничности потока на выходе из
РС (рассеивание сс из-за радиального движения потока),
оцениваются - фр.1С;
- тепловые потери (теплоотдача через стенки РС) оценива ютсяфтспл.
7.2.4. Потери в сверхзвуковых PC
Виды потерь в сверхзвуковых PC:
-внутренние потери;
-потери, связанные с нерасчетностью режима работы PC;
-потери на преодоление внешнего сопротивления ВУ.
Внутренние потери:
1.Потери на трение (гидравлические потери).
Всверхзвуковых PC потери на трение (фтр) значительны,
так как в расширяющейся, достаточно длинной части PC течет сверхзвуковой поток.
Для снижения этого вида потерь можно применить эжек торные сопла, в которых расширение газа за критическим сече нием происходит в границах
свободной струи без стенок. |
|
|||
2. |
Потери, |
связанные |
с |
|
рассеиванием выходной |
ско |
|||
рости |
(для конических |
рас |
||
трубов) |
(рис. 7.3), где Z 2 a |
- |
||
угол раствора; |
сахр= с ф рас |
- |
||
средняя |
осевая |
составляющая |
|
скорости. |
|
|
|
Величина |
коэффициента |
||
рассеивания - |
фрас = |
1 + cos ос |
|
---- ------ |
|||
зависит от Zee |
и определяется |
||
по табл. 7.1. |
|
|
|
При |
увеличении |
Z a ==> |
|
^Ф рас |
|
= COnSt) |
|
т |
кр |
с |
Рис. 7.3. Потери из-за рассеива ния сс
Таблица 7.1
|
a , град |
0 |
5 |
10 |
20 |
|
Фрас. |
1.0 |
0,998 |
0,992 |
0,97 |
|
При проектировании |
рекомендуется |
выбирать Z 2 a < |
||
<(25 |
... 30)° |
|
|
|
|
Для уменьшения этого вида потерь у сопел с большой сте
пенью расширения газа (тс* < 25...30) стенки расширяющей
ся части профилируют по форме свободно расширяющейся струи газа (см. рис. 7.3) с осевым выходом потока.
3. Волновые потери (фоолп) возникают в сверхзвуковой
(расширяющейся) части PC из-за появления скачков уплотнения при неравномерном входе потока.
Для уменьшения волновых потерь переход между дозвуко вой и сверхзвуковой частями PC делают плавным (по дуге
сбольшим радиусом) (см. рис. 7.3).
4.Потери, связанные с неравномерностью поля давлений
ПО СеЧеНИЮ СОПЛа (ф„еравн)-
5. Тепловые потери, связанные с теплоотдачей через стенки сопла (фтепп).
Суммарные внутренние потери сверхзвукового PC <рс оп ределяются как произведение:
Фс ФтрФрасФволиФперавнФтепл ' |
(7.3) |
Потери, связанные с нерасчетностью режима работы PC
Этот вид потерь оценивается при помощи коэффициента нерасчетности режима работы сопла:
(7.4)
где Rc =Мссс + Fc(pc - р„) - тяга сопла;
R =М гсс - тяга сопла при полном расширении (расчет ный режим).
На расчетном режиме Кс= 1, так как Rc = Rcn
Для оценки суммарных потерь ( фс и К,) вводят комплекс ный критерий - коэффициент тяги сопла:
(7.5)
где /?сна - тяга идеального сопла (полное расширение Кс= 1
иотсутствие внутренних потерь срс = 1).
Вобщем случае
Rc = Kc<pc . |
(7.6) |
На расчетном режиме /?с = <рс, так как Кс = 1.
Потери, связанные с преодолением внешнего сопротивле ния ВУ:
Этот вид потерь оценивается с помощью коэффициента внешнего сопротивления ВУ:
(7.7)
где Х с - суммарное внешнее сопротивление PC или ВУ в целом.
Наличие внешнего сопротивления ВУ Х с вызвано взаимо действием внешнего потока, обтекающего ВУ, и струи газов, истекающей из PC, а также аэродинамическим сопротивлением и зависит от числа М полета, полной степени расширения газа в PC л*п и формы наружного контура кормовой части ВУ
Суммарные потери в ВУ оценивают с помощью коэффици ента эффективной тяги PC:
(7.8)
7.2.5. Характеристики реактивного сопла (ХРС)
ХРС - это зависимости коэффициента эффективной тяги сопла /?с>.,ф от полной степени расширения газа в PC псп и чис
ла М |
внешнего потока /?с., Ф |
« М). |
Характеристики PC снимают на стенде при М = 0. В этом |
||
случае |
/?с.э<|>= Rc, так как при |
М = 0, Х с =0. |
Принимая допущение, что по длине PC |
- кг = const, |
|
/?г = const, рассмотрим |
характеристику Rc (я*п) |
при условии |
что: Fs = Fc/FKp= 2,5; < |
pacn(F c) = 15 (рис. 7.4). |
|
При < „ = 15= я срасп - расчетный режим, Rcnwx => Rema.
При |
Тя*п> 15 (Т р' |
или |
I р а ) режим недорасширения |
|
( Рс > /5м) уменьшается /?с . |
|
|
||
При |
1 я а.„< 15 ( i p * |
или |
Т р и), режим перерасширения |
|
( < р„) |
уменьшается I |
Rc |
|
|
При |
15 >я* п >я^р |
большие потери тяги (44- Rc) от пере |
||
расширения вызваны уменьшением фс (потери в скачке за сре
зом сопла) и снижением Кс вследствие появления отрицатель ной тяги Д/?а на участке перерасширения (рис. 7.5, а).
При i я* п < я*)тр происходит |
отрыв ПС (скачок входит |
внутрь сопла и движется в сторону |
F ). Из-за наличия скачка |
внутри PC давление за ним возрастает, а затем при движении дозвукового потока по диффузорнуму каналу давление увели чивается до значения р и на срезе сопла (рис. 7,5, б). Это приво
дит к уменьшению отрицательной тяги Д/?., на участке перс-
расширения, темп снижения Rc замедляется (см. рис. 7.4, ли
ния 2) по сравнению с безотрывным перерасширением (см. рис. 7.4, линия 7).
Рис. 7.5. Механизм потерь R c на режиме перерасширения: a — безот
рывное перерасширение; б -гл у б о к о е |
перерасширение с отрывом по |
граничного |
слоя |
При достижении скачком F , скачок исчезает и течение
в PC становится дозвуковым. Потери от перерасширения стано вятся равны нулю (К с = 1), и /?с возрастает.
Для поддержания Rc ~/?С1ШХ необходимо подстраивать зна
чения л" расп к лс п, то есть регулировать Fc = F J F - степень
расширения сверхзвуковой части сопла (относительную пло щадь среза PC) при изменении параметров полета и режимов работы двигателя.
7.2.6.Регулирование PC
Взадачи регулирования PC входят:
-поддержание необходимого значения Т*
-уменьшение влияния ФК на турбокомпрессорную часть при работе двигателя на форсажных режимах;
-уменьшение потерь тяги из-за недорасширения или перерасширения;
-увеличение запаса устойчивости ОК ДKw на пониженных
режимах работы (малые п ) и при запуске двигателя;
-уменьшение времени переходных процессов двигателя при переходе на повышенные или пониженные режимы ( Т>1 п ).
Способы регулирования PC:
-регулирование створок дозвукового сопла (рис. 7.6, я);
-регулирование створок сопла Лаваля (рис. 7.6, б)\
а |
б |
Рис. 7.6. Способы регулирования PC: а - дозвуковое PC;
б - сверхзвуковое PC
-регулирование расхода М 2 (для эжекторного сопла)
(рис. 7.7);
-регулирование створок 1 на обечайке сопла и 2 на насадке (для эжекторного сопла) (см. рис. 7.7);
-использование створки 3 подпитки дополнительным воз
духом М у (для эжекторного сопла) (см. рис. 7.7).
3 |
1 |
2 |