Диффузорное выходное устройство

На рис. 3.9 приведена схема диффузорного выходного устройства и, соответственно, i-s-диаграмма рабочего процесса. Изменение параметров рабочего тела в проточной части такого устройства было рассмотрено в гл. 1(см. рис. 1.7).

а) б)

Рис. 3.9.Схема диффузорного выходного устройства(а)
и i-s-диаграмма рабочего процесса(б)

К нему, как отмечалось, предъявляется требование обеспечения минимальной степени понижения давления p с = p *т / p с, которая для турбовальных двигателей является потерей давления.

В выходном сечении давление p с равно атмосферному и снижение p с возможно только за счет уменьшения полного давления за турбиной p *т, т.е. путем снижения l т и p т:

p *т = .

Поэтому при проектировании ТВаД приведенная скорость за турбиной принимается на нижнем уровне рекомендованных значений (обычно l т » 0,3; дальнейшее ее уменьшение, сопровождающееся увеличением длины лопаток последней ступени турбины, приводит к недопустимому снижению их прочности), а статическое давление p т принимают меньше атмосферного. Для этого выходное устройство выполняется диффузорным.

Степень диффузорности F с / F т имеет оптимальное значение. Чтобы показать это, выразим p с через p (l с) и sс:

p с = .

С увеличением F с / F т и, соответственно, площади выходного сечения F с приведенная скорость в этом сечении l с согласно уравнению расхода (1.5) уменьшается, p (l с) – увеличивается, но одновременно возрастают потери полного давления в диффузоре (снижается sс). Два фактора оказывают на p с противоположное влияние. При малых F с / F т преобладает влияние первого фактора, при больших F с / F т – второго. Имеется поэтому оптимальное отношение (F с / F т)opt, при котором обеспечивается минимальное значение p с.

При выборе степени диффузорности для турбовальных двигателей, служащих силовой установкой вертолета, необходимо учитывать, кроме того, требование обеспечения малой массы выходного устройства, которая при увеличении F с / F т возрастает.

Принято считать, что оптимальное значение степени диффузорности для вертолетных ТВаД лежит в пределах F с / F т = 1,5 ... 2,5. При этом обеспечивается величина p с = 1,04 ... 1,07.

При расчете характеристик ТВаД скорость в выходном сечении определяют по формуле (3.11), при этом коэффициент скорости j с принимают в пределах j с = 0,7 ... 0,8.

3.3. ОСОБЕННОСТИ РАБОТЫ
И ХАРАКТЕРИСТИКИ СВЕРХЗВУКОВЫХ СОПЕЛ

Получили распространение сверхзвуковые сопла трех основных типов: сопла Лаваля, эжекторные сопла и сопла с центральным телом.

Сопло Лаваля

Основные особенности и режимы работы. Сопло Лаваля (сужающе-расширяющееся) имеет две характерные особенности. В отличие от сужающегося сопла в нем можно обеспечить полное расширение до атмосферного давления любой заданной (расчетной) степени понижения давления p с.расч > p кр и получить соответствующую сверхзвуковую скорость истечения потока. Это его основная особенность и главное преимущество.

Заданной степенью понижения давления практически однозначно определяется отношение площадей выходного и критического сечений, поскольку величина p с определяет приведенную скорость l сs , а l с, согласно условию неразрывности

p *с.крF с.крq (l с.кр) = p *с F с q (l с),

с точностью до потерь полного давления определяет отношение F с / F с.кр. Отсюда другая особенность или, точнее, другая сторона указанной особенности: выполненное сопло Лаваля с нерегулируемыми сечениями (F с / F с.кр= const) срабатывает только одну степень понижения давления, на которую оно рассчитано. Это однорежимное сопло: действительная степень понижения давления у него равна расчетной p с= p с.расч (строго говоря, при безотрывном течении потока и при работе без скачков уплотнения внутри сопла).И это основной его недостаток.

Этими двумя особенностями определяются две группы режимов неполного расширения и расчетный режим, граничный между ними.

На расчетном режиме располагаемая степень понижения давления равна действительной (расчетной) p с.р = p с = p с.расч и реализуется полное расширение потока (p с = p н).

На режимах недорасширения (p с.р > p с.расч) давление на срезе сопла больше атмосферного (p с > p н) и расширение газа до атмосферного давления осуществляется за соплом, как и на соответствующих режимах сужающегося сопла (см. рис. 3.3).

На режимах перерасширения (p с.р < p с.расч) при восстановлении давления до атмосферного возможны в свою очередь три характерных режима течения. Если p с.р ненамного меньше p с.расч, то p с < p н и давление p с восстанавливается до p н в системе скачков за соплом. Физическую причину снижения тяги на этих режимах легко "увидеть" (рис. 3.10) на эпюре распределения избыточного давления (p i – p н) и разрежения газа (p н – p i ) в расширяющейся части сопла Лаваля: на участке АС давление меньше атмосферного и, следовательно, к этой части сопла приложена сила DP с, направленная по потоку, т.е. сила сопротивления.

Рис. 3.10. Распределение избыточного давления и разрежения в расширяющейся части сопла Лаваля

На режимах более значительного перерасширения замыкающий прямой скачок входит внутрь сопла, скорость за скачком дозвуковая и расширяющаяся часть сопла работает как диффузор, в котором давление увеличивается до атмосферного в выходном сечении (p с = p н). На этих режимах и потери тяги более значительные.

На глубоких нерасчетных режимах перерасширения (p с.р << p с.расч_.) в результате взаимодействия скачка уплотнения с пограничным слоем возникает отрыв потока. Отрыв может приводить к некоторому увеличению тяги при (p с.р < p отр ), поскольку давление на стенках сопла за скачком увеличивается до атмосферного [24]. При больших углах раскрытия сверхзвуковой части сопла отрыв потока может наступить в критическом сечении. В этом случае сопло работает как сужающееся, так как в расширяющейся части практически не возникает отрицательная составляющая тяги.

Особенности работы сопла Лаваля на указанных выше режимах, кроме величины p с.р, зависят еще и от его геометрической формы, в том числе от суммарного угла излома контура (a/2 + q) и от радиуса скругления минимального сечения [5].

Рис. 3.11. Сравнение тяговых характеристик нерегулируемого сопла Лаваля: ¾¾ – p с.расч = 10; a = 20°; - - - – сужающегося сопла

Потери от недорасширения и перерасширения потока. Характеристики нерегулируемого сопла Лаваля приведены на рис. 3.11 [35], из которого видно, что на расчетном режиме (p с.р = p с.расч) и вблизи его коэффициент тяги равен коэффициенту скорости и обеспечивается весьма высокая эффективность процесса расширения`P с = j с = 0,98 ... 0,995. Тем самым сопло Лаваля позволяет значительно снизить потери тяги на режимах больших сверхзвуковых скоростей полета по сравнению с сужающимся соплом.

А на нерасчетных режимах (p с.р ¹ p с.расч) коэффициент тяги`P с < j с, так как на этих режимах к внутренним потерям добавляются потери тяги от недорасширения или перерасширения потока. Особенно значительны потери тяги сопла от перерасширения потока: в рассматриваемом случае они достигают 10 % при p с.р = 2 ... 3, т.е. в условиях, соответствующих взлету самолета.

Таким образом, тяговые характеристики нерегулируемого сопла Лаваля в основном диапазоне режимов противоположны характеристикам сужающегося сопла: с увеличением p с.р(М п) коэффициент тяги сужающегося сопла снижается, а сопла Лаваля – повышается; при высоких М п эффективно работает сопло Лаваля, а при малых М п – наоборот. На дозвуковых скоростях полета потери выходного импульса в сопле Лаваля в 3 ... 4 раза больше по сравнению с потерями в сужающемся сопле.

Тяговые характеристики с учетом кормового сопротивления. Формула кормового сопротивления (3.15), приведенная в разд. 3.2.1 для сужающегося сопла, одинаково относится к соплам других типов, в том числе и к соплу Лаваля. В ней величина коэффициента кормового сопротивления, как уже отмечалось, зависит от параметров режима (p с.р; М п) и формы сопла. Следует иметь в виду, что понятие "форма сопла" включает в целом компоновку кормовой части выходного устройства на летательном аппарате.

Мотогондольная и фюзеляжная компоновки (рис. 3.12) различаются относительной площадью среза кормы`F к = F ср.кор / F mid. С переходом от мотогондольной к фюзеляжной компоновке площадь миделя возрастает, величина `F к снижается, увеличиваются площадь кормы и кормовое сопротивление.

Кроме того, обе компоновки характеризуются формой внешних обводов и относительными площадями:
`F с = F с / F с.кр и F с / F ср.кор. Первая из них, как известно, практически однозначно определяет расчетную степень понижения давления газа, вторая, вместе с величиной`F к – относительную площадь торца (F ср.кор – F с) / F mid, которая оказывает весьма существенное влияние на донное, а следовательно и на кормовое сопротивление. Форма внешних обводов выходного устройства может быть самая разная в зависимости от назначения летательного аппарата и потребной величины площади среза F с: от конической с изломом в точке А (см. рис. 3.6) до расширяющейся.

Зависимость коэффициента эффективной тяги соп­ла`P с.эф от p с.р при М п = const для сопла Лаваля с фюзеляжной компоновкой (`F к = 0,59 ) выходного устройства представлена на рис. 3.13 [35]. Большие потери эффективной тяги сопла на режимах работы, близких к расчетным (около 10 %), объясняются главным образом большой площадью кормы (41 % от площади миделя).

б) а) Рис. 3.12.Мотогондольная(а)и фюзеляжная(б)компоновки сопел Лаваля

Рис. 3.13. Тяговые характеристики сопла Лаваля (p с.расч = 19; a = 20°) при его фюзеляжной компоновке (`F к = 0,59) и при М п = 2,5

Рис. 3.14. Тяговая характеристика сопла Лаваля (p с.расч = 19; a = 30°) при его мотогондольной компоновке

Дальнейшее еще большее их увеличение, достигающее 30 ... 40 % при снижении режима (p с.р = 6 ... 4), объясняется тремя основными причинами: увеличением потерь от перерасширения потока, ростом донного сопротивления и снижением абсолютного значения тяги сопла P сs(увеличением относительного кормового сопротивления).

Рис. 3.15. Расходные характеристики сопла Лаваля (- - -) и профилированного сужающегося сопла ( ¾¾ )

Зависимость коэффициента `P с.эф от числа М п при p с.р = f (М п) (согласно рис. 3.1) для мотогондольной компоновки сопла Лаваля (`F к = 1) приведена на рис. 3.14 [35]. В этом случае потери эффективной тяги сопла на расчетном режиме (М п » 2,8) составляют около 2 %. Увеличение потерь при снижении числа М п (и соответственно p с.р) объясняется влиянием тех же трех факторов. В результате при трансзвуковых скоростях полета потери эффективной тяги сопла достигают 15 %, т.е. нерегулируемое сопло Лаваля в этих условиях работы весьма неэффективно.

Расходные характеристики. Пропускная способность сопла Лаваля на сверхкритических режимах работы сохраняется постоянной, как и у профилированного сужающегося сопла, а на докритических режимах она больше, чем у сужающегося сопла (рис. 3.15). Это объясняется тем, что давление в критическом сечении меньше атмосферного, поскольку расширяющаяся часть работает на этих режимах как диффузор, т.е. понижает статическое давление в критическом сечении.

* * *

Итак, нерегулируемое сопло Лаваля, будучи высокоэффективным на расчетном режиме, в принципе не может обеспечить высокую эффективность процесса расширения в широком диапазоне скоростей полета, ибо является однорежимным. Для решения проблемы обеспечения эффективной работы в полном диапазоне скоростей разрабатываются регулируемые сопла Лаваля, а также сопла других типов: эжекторные и с центральным телом.

Эжекторные сопла

Рис. 3.16. Схема простейшего эжекторного сопла

Первые эжекторные сопла были естественным развитием сужающегося сопла, которое, как указывалось, имеет большие потери от недорасширения на сверхзвуковых скоростях полета. С целью уменьшения этих потерь двигатель с сужающимся соплом устанавливался в хвостовой части фюзеляжа с заглублением. В этом случае хвостовую часть фюзеляжа можно рассматривать как цилиндрическую обечайку сопла, в границах которой осуществляется расширение свободной сверхзвуковой струи (рис. 3.16). Кроме того, такая компоновка сопла позволяет использовать его для охлаждения кормовой части двигателя и фюзеляжа путем подсоса охлаждающего воздуха, поступающего из проточной части или из внешней среды. В этом плане сопло работает как эжектор – отсюда и его название. (Это название условно, поскольку эжекция не является определяющей в рабочем процессе такого сопла.)

Простейшее эжекторное сопло можно рассматривать, следовательно, как сопло Лаваля, у которого расширение газа в твердых стенках заменено на внешнее расширение в границах свободной сверхзвуковой струи, т.е. как сопло с внешним расширением. Такое сопло при высоких располагаемых степенях понижения давления работает как сопло Лаваля, а при низких p с.р – как сужающееся сопло.

Потери выходного импульса такого сопла при низких p с.р существенно меньше потерь импульса от перерасширения в канале сопла Лаваля, а его коэффициент тяги на этих режимах близок к коэффициенту тяги сужающегося сопла. Однако на всех остальных режимах рассматриваемое сопло имеет повышенные потери полного давления, а следовательно, и выходного импульса, вызванные возникновением косых скачков уплотнения в области взаимодействия двух потоков и в месте присоединения сверхзвуковой струи к цилиндрической обечайке, а также вызванные затратами части кинетической энергии основного потока на преодоление турбулентного трения, возникающего на границе смешения двух потоков.

Простейшее эжекторное сопло (с цилиндрической обечайкой) имеет поэтому приемлемые характеристики при невысоких p с.р и нашло применение при М п < 1,6.

Рис. 3.17. Схема сопла с разрывом сверхзвукового контура

Чтобы снизить потери от косого скачка уплотнения, возникающего в результате поворота потока в месте присоединения сверхзвуковой струи к цилиндрической обечайке, и расширить диапазон применения таких сопел, современные эжекторные сопла выполняют с профилированными расширяющимися стенками, как и сверхзвуковое сопло Лаваля. В отличие от сопла Лаваля они имеют разрыв сверхзвукового контура в области критического сечения или вблизи него. Поэтому такие выходные устройства называют также (и это более точное название) соплами с разрывом сверхзвукового контура (рис. 3.17). Область разрыва и последующую часть сверхзвукового контура называют также камерой смешения. Причем вторичный поток не обязательно эжектируется, он может, например, отбираться из наружного контура ТРДД и подаваться в камеру смешения принудительно.

Рабочий процесс такого сопла не прост. Важно подчеркнуть, что, как и сопло Лаваля, оно является соплом с внутренним расширением и ему присущи недостатки, характерные для расширения потока в жестких стенках (связанные с недорасширением и перерасширением потока). Но такое сопло имеет и существенную особенность, благодаря которой обеспечиваются приемлемые характеристики на двух режимах (при высоких и низких p с.р), что уже отмечалось на примере работы простейшего эжекторного сопла с цилиндрической обечайкой.

Эжекторное сопло (с разрывом сверхзвукового контура) имеет две группы основных режимов (автомодельные и отрывные) и один переходный – режим запуска.

Автомодельными называют подобные режимы, на которых структура потока внутри сопла сохраняется неизменной в некотором диапазоне изменения степени понижения давления. Они реализуются при высоких p с.р, низких`F с и больших относительных длинах камеры смешения. Эжекторное сопло проектируют таким образом, что расчетный режим, все режимы недорасширения и достаточно большой диапазон режимов перерасширения относятся к группе автомодельных режимов. Во всех этих случаях основной и вторичный потоки совместно заперты сверхзвуковой скоростью на выходе и изменение атмосферного давления не оказывает влияния на течение газа в канале сопла (малые возмущения не проникают внутрь его). Изменяется только система скачков за соплом.

Автомодельные режимы эжекторного сопла весьма существенно отличаются от автомодельных режимов соответствующего сопла Лаваля наличием скачков уплотнения внутри сопла, которые являются следствием разрыва сверхзвукового контура и взаимодействия двух струй между собой и со стенками сопла. Поэтому при одинаковых p с.р эжекторное сопло отличается более высокими потерями полного давления, а следовательно и выходного импульса.

Отрывными называют режимы, на которых струя активного потока не касается стенок сверхзвуковой части сопла (отрывается от них). Они реализуются при небольших сверхкритических степенях понижения давления p с.р £ 5 в условиях крейсерского дозвукового полета (М п £ 0,85), а также на взлете самолета и при наборе высоты.

Работа эжекторного сопла на этих режимах в основном аналогична работе сужающегося сопла: с повышением p с.р увеличиваются потери от недорасширения потока – коэффициент тяги`P с снижается. Однако он остается выше коэффициента тяги сопла Лаваля, для которого рассматриваемые p с.р – глубокие режимы перерасширения.

Рис. 3.18. Тяговые характеристики эжекторного сопла (3), сужающегося сопла (1) и сопла Лаваля (2)

Режимом запуска называют (не вполне удачно) работу сопла на границе перехода отрывных режимов в автомодельные. Он характеризуется неустойчивостью, максимально возможным для данного сопла перерасширением потока и соответственно максимальными потерями.

Тяговые характеристики эжекторного сопла в сравнении с характеристиками сопел других типов приведены на рис. 3.18 [5]. Из него видно, что при высоких p с.р (на автомодельных режимах) потери тяги этого сопла (1 –`P с ) приблизительно на 3 % больше потерь в канале сопла Лаваля, но на 6 % меньше по сравнению с потерями в сужающихся соплах. При невысоких p с.р (на отрывных режимах), наоборот, потери тяги этого сопла примерно на 6 % меньше, чем сопла Лаваля, но незначительно превышают потери в сужающемся сопле.

Таким образом, рассматриваемое сопло – двухрежимное. Оно имеет удовлетворительные тяговые характеристики в широком диапазоне дозвуковых и в некотором диапазоне сверхзвуковых скоростей полета. Кроме того, оно простое, легкое, надежное, имеет простую систему управления и позволяет снизить шум от выходной струи. Поэтому эжекторное сопло получило достаточно широкое распространение при М п £ 1,7 ... 2.

Что касается расходных характеристик, то они несущественно отличаются от характеристик сужающегося сопла, так как наличие сверхзвуковой части благодаря разрыву потока практически не влияет на пропускную способность сужающейся части сопла, которая определяется площадью критического сечения и величиной p с.р.

Эжекторные сопла имеют перспективу дальнейшего развития. Разрабатываются и находят применение сопла, в которых кроме вторичного воздуха (из проточной части двигателя) эжектируется третичный поток из внешней среды. Оптимизируется местоположение разрыва сверхзвукового контура, т.е. вместо сужающегося используется сопло Лаваля с небольшой степенью расширения, что позволяет сместить режим запуска (режим максимальных потерь импульса) в нерабочий (промежуточный) диапазон сверхзвуковых скоростей полета.

Наконец, большое снижение потерь эффективной тяги двигателя на трансзвуковых и близких к ним скоростях полета обещает применение эжекторного сопла с большим перепуском воздуха из входного устройства в камеру смешения сопла. Такой перепуск позволит существенно снизить лобовое сопротивление входного устройства (X доп) и кормовое сопротивление сопла (X кор), которые на этих скоростях достигают максимальных величин соответственно из-за низкого значения коэффициента расхода j (см. гл. 2) и малой площади выходного сечения регулируемого сопла F с (см. разд. 3.3.4). Перепуск 10 % и более расхода воздуха в сопло (от расхода рабочего тела через двигатель) сопровождается соответствующим увеличением коэффициента j и площади F с, снижением внешнего сопротивления X доп и X кор, а следовательно, увеличением эффективной тяги. Специалисты считают, что такой перепуск будет реализован на двигателях с изменяемым рабочим процессом [25].

Сопла с центральным телом

Реактивное сопло с центральным телом состоит из наружной обечайки и профилированного центрального тела. Различают сопла с внешним и смешанным расширением.

Сопло с центральным телом и внешним расширением. Схема такого сопла представлена на рис. 3.19. За критическим сечением АБ такого сопла при p с.р > p кр реализуется течение Прандтля-Майера, в процессе которого поток расширяется и поворачивается вокруг точки А (обтекание тупого угла).

Рис. 3.19.Схема сопла с центральным телом и внешним расширением

Сопло профилируется таким образом, что на расчетном режиме скорость потока на выходе из него c с имеет осевое направление, а площадь сечения потока F с определяется, следовательно, выходным диаметром обечайки. Отношение площадей F с / F с.кр, а также угол поворота потока g однозначно определяются степенью понижения давления на расчетном режиме.

Основная особенность работы такого сопла – расширение сверхзвукового потока осуществляется в пространстве АБВ, не отделенном от окружающей среды твердыми стенками, и поэтому оно называется соплом с внешним расширением. Отсюда вытекает и его основное преимущество: полное расширение реализуется не только на расчетном режиме, но и при p с.р < p с. расч, т.е. в этом случае не возникает режимов перерасширения (в отличие от сопла Лаваля), поскольку с уменьшением p с.р соответственно уменьшается площадь потока в сечении С на выходе из сопла. Коэффициент тяги`P с сохраняется практически постоянным в полном диапазоне рабочих режимов и при низких p с.р мало отличается от своего значения для сужающегося сопла (рис. 3.20).

Hедостатком такого сопла является большое кормовое сопротивление, вызванное понижением статического давления на конической (кормовой) части обечайки ниже атмосферного, как и у сужающегося сопла. Уменьшить угол наклона обечайки или выполнить ее даже цилиндрической можно, если выполнить сопло по схеме со смешанным расширением.

Рис. 3.20. Сравнение тяговых характеристик сопел внешнего (- - - ) и смешанного (- × -) расширения с характеристиками сопла Лаваля (¾¾)

Сопло смешанного расширения. Схема его приведена на рис. 3.21. В этом случае, чтобы сохранить осевое направление движения потока на выходе из двигателя, течение Прандтля-Майера частично реализуется внутри канала, образованного обечайкой и центральным телом: в пространстве АБВ поток расширяется, поворачиваясь вокруг точки А от

Рис. 3.21. Схема сопла с центральным телом и смешанным расширением

горизонтального направления к оси двигателя, а затем в пространстве ВГД вне канала разворачивается вокруг точки В в противоположном направлении, возвращаясь к направлению, параллельному оси двигателя. Поток расширяется, следовательно, как внутри, так и вне канала. Отсюда и название этого сопла.

Рассматриваемое сопло является промежуточным по отношению к соплам с внутренним (Лаваля) и внешним (с центральным телом) расширением. Соответственно его тяговые характеристики занимают промежуточное положение (см. рис. 3.20) по сравнению с характеристиками указанных сопел. Снижение коэффициента тяги при p с.р < p с. расч объясняется частичным перерасширением потока на участке АБВ.

Итак, сопло смешанного расширения по сравнению с соплом внешнего расширения имеет более высокие потери выходного импульса, но существенно более низкое внешнее сопротивление. Последнее оказывает в данном случае преобладающее влияние на интегральные тяговые характеристики: коэффициент эффективной тяги этого сопла имеет более высокое значение [35].

По сравнению с нерегулируемым соплом Лаваля сопла с центральным телом обеспечивают более высокую тягу на малых и промежуточных скоростях полета. Это их главное преимущество.

Кроме того, как показывают опыты, хвостовая часть центрального тела может быть укорочена на 30 ... 50 % без заметного снижения тяги благодаря увеличению донного давления на торце. Поэтому сопла с центральным телом значительно короче сопел Лаваля. Их расходные характеристики практически не отличаются от характеристик сужающегося сопла. Однако трудность охлаждения центрального тела является существенным недостатком, сдерживающим применение этих сопел.