8. Выходные устройства врд.

8.1. Назначение и основные параметры сопел.

Выходные устройства могут включать в себя следующие элементы:

- реактивное сопло или диффузорный газоотводящий патрубок;

- устройство поворота или отклонения вектора тяги;

- реверсивное устройство;

- система шумоглушения;

- средства снижения инфракрасного излучения.

Назначение реактивного сопла:

- преобразование тепловой энергии в кинетическую энергию реактивной струи, создающей реактивную тягу;

- управление режимом работы двигателя за счет изменения площади критического сечения сопла.

Требования, предъявляемые к соплам:

- оптимальная интеграция реактивного сопла и планера;

- малые внутренние потери;

- низкий уровень шума;

- возможность управления вектором тяги;

- возможность реверсирования тяги;

- низкий уровень инфракрасного излучения;

- высокая надежность.

Классификация сопел:

- сужающиеся (дозвуковые);

- сужающе-расширяющиеся (сопла Лавалля, сверхзвуковые сопла);

- сопла с центральным телом внутреннего, смешанного и внешнего расширения;

- плоские и осесимметричные.

Рис. 8.1. Схемы сопел. Сужающееся дозвуковое, сопло Лавалля, сопла с внешним расширением; а – со смешанным расширением, б – с внешним расширением.

Параметры сопел.

Геометрические параметры сопел

Площадь входа, F₀, площадь критического сечения F_кр, площадь выходного сечения F_с. Для дозвукового сужающегося сопла F_с = F_кр. У сопла Лавалля F_с > F_кр.

Режимные параметры сопел.

Сопло характеризуется расчетным отношением давления на сопле (степенью понижения давления на сопле)

(8.1)

р^*_с0 – давление торможения на входе в сопло, (р^*_с0 ={ р^*_т, р^*_ф, р^*_ст}).

р_с – статическое давление на срезе сопла.

Для сужающегося сопла максимальная скорость на выходе равна критической скорости, _с=1. В этом случае отношение давлений на сопле определяется следующим образом

(8.2)

при _с=1

(8.3)

При k=1,33 _срасч=1,85; k=1,4 _срасч=1,893.

Для сопла Лавалля расчетное отношение давлений зависит от отношения площадей F_с/F_кр. Чем больше F_с/F_кр, тем больше _срасч.

Располагаемое отношение давлений на сопле . Расчетное и располагаемое отношение давлений могут различаться. В этом случае режим работы сопла называется нерасчетным. Если _ср>_срасч (р_с>p_H), то на выходе сопла получаем струю, давление в которой выше, чем давление в окружающей среде. Эта струя будет расширяться в окружающей среде, поэтому она называется недорасширенной, а режим работы сопла называется режимом с недорасширением. Дозвуковое сопло может работать только на двух режимах – полного расширения, когда р_с=p_H и недорасширения, р_с>p_H. На режиме полного расширения дозвукового сопла скорость в выходном сечении может быть меньше критической если _ср<_срасч или критической (звуковой), если _ср=_срасч.

Если у сверхзвукового сопла _ср<_срасч (р_с<p_H), то на выходе получаем струю, давление в которой меньше, чем давление в окружающей среде. Эта струя будет сжиматься в окружающей среде, поэтому она называется перерасширенной, а режим работы сопла называется режимом с перерасширением.

При работе сверхзвукового сопла возможны все три режима.

Режим работы сопла характеризуется также тягой, развиваемой соплом. Тяга сопла больше тяги двигателя на величину импульса входящего в двигатель воздуха. На расчетном режиме работы сопла

Р_с=G_гс_с (8.4)

При работе на нерасчетном режиме необходимо учесть отличие давления на срезе сопла от атмосферного давления

Р_с=G_гс_с+F_c(p_c – p_H) (8.5)

При расчете расходов и проходных сечений сопел необходимо учитывать отличие течения газа от идеального. Это делается введением коэффициента расхода

(8.6)

(8.7)

Коэффициент скорости представляет собой отношение действительной скорости на срезе сопла к скорости при адиабатном (изоэнтропическом) расширении

_с = с_с/с_с.ад (8.8)

P=P_cд/P_c.ид (8.9)

Относительный импульс представляет собой отношение действительного импульса сопла к идеальному

J=J_сд/J_c.ид (8.10)

J_сд=G_гс_с+F_cp_c

J_сид=G_гс_с+F_cp_н

На рис.8.2 приведены зависимости _ср М_п для различных типов самолетов. Анализ приведенных данных позволяет сделать выводы о наиболее рациональном типе сопла, которое следует применять для того или иного ЛА.

Рис.8.2. Зависимости _ср от М_п и Н для ГТД различных типов.